耶鲁大学Jan Schroers：金属可以变成玻璃？在纳米尺度上可以实现。

发布日期：2024-02-27 浏览次数：3005

几个世纪以来，冶金学家一直在研究金属如何变形或对外部应力作出反应。在传统金属——原子排列整齐的晶体金属——这一过程相当容易理解了。但对于金属玻璃和其他非晶态金属的变形，这答案一直难以捉摸，特别是当涉及到纳米尺度上的工作原理时。

近期，在一项新的研究中，耶鲁大学Jan Schroers教授研究了非晶金属在非常小的尺寸下的物理特性——这一洞察可能会带来制造金属玻璃的新方法；研究结果发表在《Nature Communications》杂志上。

金属玻璃具有金属的强度，但具有塑料的柔韧性，是一种被广泛应用的材料：航空航天，空间，机器人，消费电子产品，体育用品和生物医学用途……

这些材料的特性归功于它们独特的原子结构：当金属玻璃从液体冷却到固体时，它们的原子会随机排列，而不会像传统金属那样结晶。

但是防止原子结晶是一件棘手的事情，对其工作原理的任何深入了解都可能对更有效地生产金属玻璃大有帮助。

研究人员说：“为了推进非晶金属的制造和使用，需要对其尺寸和温度相关变形有一个基本而完整的了解。”

在过去的几十年里，人们已经确定，在宏观尺度上，原子在一定的温度下变形时，会集体移动。

但是当纳米尺寸的样品变形时会发生什么呢?实验室决定用软态的锆铜和其他金属玻璃样品来找出答案。

结果发现，在100纳米或更小的样本尺寸上，原子开始偏离标准规则。

研究人员发现，在这种尺寸下，如果原子继续集体移动，样品的化学成分将永远不会改变。但相反，在纳米尺寸下发生的是原子单独运动，在某一点上，金属开始迅速变形。

这很重要，因为原子在晶体材料表面的移动速度更快，所以，样品越小，材料在表面上或接近表面的比例就越大。为了变形，原子通过使用这样一个快速的表面路径走了一段额外的距离，实现比一般更快的变形。这是对一个仍有许多未解之谜的物理领域的洞察。

“我们基本上知道晶体的一切，我们基本上知道气体的一切，但在科学界，我们对液态并不了解。物体运动太快，所以观察方法受到挑战，而且由于液体中的顺序是非周期性的，我们无法将问题缩小到更小的单位。”研究人员说。

实验室目前专注于哪种合金最有希望通过这种方法制造金属玻璃。“合金应该包含相似的元素，但不能太相似，否则它们生长的模板就不能形成玻璃，”Schroers教授说。

这些研究除了科学影响外，在技术层面上也具有重要意义。与目前通过快速冷却避免结晶的技术不同，这些发现为研究人员提供了一种缓慢生长亚稳态材料的新方法。这些材料包括金属玻璃，甚至其他以前无法用其他技术制造的材料。

良好的导电性、高磁导率、高导热性，以及优异的机械性能，使非晶金属在多个领域中都有广泛的商业应用。据了解，国内已有企业使用非晶金属从事产品化和商业化，比如实现微纳尺度的精密模芯制造，还有不少非晶合金产品加工制造商，提供如非晶带材和非晶铁芯等产品，这些产品在电子、体育器材、航空航天等领域有广泛的应用。

文章来源于微纳世界。

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