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玻璃与金属的完美合体

  金属玻璃,顾名思义,就是一种既有金属特性,也有玻璃特性的新材料。上世纪50年代,这种材料被偶然发现,但却被美国物理学家称为“愚蠢的合金”。今天,金属玻璃因其特性——强度是不锈钢或钛的两倍,易塑性堪比塑料——正在受到越来越多的关注。

  要想了解金属玻璃,首先还是从玻璃讲起。

  我们生活在充斥着玻璃的世界,很多人都以为玻璃的广泛应用是工业革命的产物,但事实上,玻璃是人类使用最古老、最广泛的材料之一。

  我们的远古祖先——原始人,很早就在利用天然玻璃黑曜石的断口,也就是我们常说的“玻璃碴”来宰杀动物、裁制兽皮衣服。玻璃材料对人类文明史产生了不容忽视的影响。正如陶瓷材料贯穿中华文明和文化一样,自被发现以来,玻璃材料贯穿古希腊文明、罗马文明、文艺复兴、欧洲启蒙运动、工业革命等历史时期,直至当代。例如,因为平板玻璃材料的出现,才有了玻璃窗户,才让寒冷的北欧适于居住和文明化;有了玻璃,我们的前辈才能研究星体的运动,太阳系的构造,以及微生物的奥秘。不少学者认为,玻璃在东西方文化和文明的差异、分歧中扮演了致关重要的角色。

  玻璃材料是人类历史上最偶然的发明之一。3000多年前,一艘腓尼基人的商船,满载着晶体矿物“天然苏打”,航行在地中海沿岸的贝鲁斯河上。由于海水落潮,商船搁浅了,于是船员们登上沙滩,把几块“天然苏打”支起作为大锅,在沙滩上做起饭来。他们撤退时发现锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪闪发光的东西!这些闪亮的物体就是最早的人工玻璃。

  金属玻璃的发现也非常偶然。1959年,美国加州理工大学的Duwez在研究晶体结构和化合价极其不同的两个元素能否形成固溶体时,偶然发现了这种新材料。他将高温金—硅合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上,以每秒一百万度的冷却速度快速冷却熔体,第一次制备了不透亮的玻璃。当时的一位物理学家看到这种材料时,曾嘲讽地说这是一种“愚蠢的合金”。

  半个世纪以来,金属玻璃已经从当初“愚蠢的合金”,发展成为今天航天、航空等高技术领域和高档手表、手机等时尚品争相选用的材料。

  作为兼有玻璃、金属,固体和液体特性的新型金属材料,它是材料界很多纪录的“保持者”——金属玻璃是迄今为止最强的金属材料和最软的金属材料之一,最强的钴基金属玻璃的强度达到创纪录的6.0GPa,最软的锶基金属玻璃的强度低至300MPa;金属玻璃是迄今为止发现的最强的穿甲材料,最容易加工成型的金属材料,最耐蚀的金属材料,最理想的微、纳米加工材料之一;金属玻璃还具有遗传、记忆、软磁、大磁熵等独特性能。

  金属玻璃不但是性能独特的新材料,同时也是研究材料科学和凝聚态物理中一些重要问题的模型体系。近十几年来,金属玻璃材料的发展和应用,把玻璃结构、物理性能及相关的物理问题的研究推向凝聚态物理和材料科学领域的前沿。

  “愚蠢合金”大放异彩

  含有金属元素不同,金属玻璃也有不同的特性。含有铁元素的金属玻璃可以作磁性材料或作催化剂,含有钴元素的金属玻璃可以作为磁敏感材料,含有钛、锆元素的金属玻璃具有高弹性和高强度,而含有稀土元素的金属玻璃则有很多独特的功能。

  为什么金属玻璃会有这么多独特的性质呢?简单地说,这是由材料的原子排列结构决定的。玻璃内部的原子或分子的排列,呈现杂乱无章的高度无序分布状态;而钢铁等晶态固体的原子排序则很整齐。打个比方,钢铁等晶态固体的原子排序好比列队整齐的阅兵式,玻璃的原子排序就像是大街上熙熙攘攘的人群。在我们熟悉的几种材料中,窗户玻璃一般是硅与氧等元素合成的,塑料则是高分子玻璃。金属玻璃是由不同金属元素原子组成的非晶态合金,结构上具有玻璃的特性,但因为其金属元素的加入,就具有了金属的特性。

  金属玻璃由于具有很多不同于传统玻璃材料的物理、力学、化学性能,在很多领域已经得到应用,或者说有很大的应用潜力。航天方面,现在卫星收集太阳能维持运转的伸展机构大多使用的是高分子有机材料,存在易挥发和易老化的问题,会给整个系统运转造成障碍。因此,耐腐蚀、抗撞击、耐冷热的金属玻璃有可能在未来成为理想的候选材料。金属玻璃还被用来收集太阳风,研究太阳的起源。

  军事方面,由于其优异的力学性能,金属玻璃可用来制造动能破甲、穿甲弹。金属玻璃和钨复合制成的穿甲弹头,密度高、强度大、穿甲性能好,具有自锐效应,也具有贫铀弹头的高绝热剪切敏感性,有望取代对环境造成严重危害的贫铀弹。铁基金属玻璃可用于舰艇防腐、防磁。

  工业方面,电压变压器芯体要求材料具有软磁性,软磁性越高,在芯体上损失的能量越少。现在变压器普遍使用的是硅钢片,而具有较高软磁性的金属玻璃可以使变压器重量减轻1/3,能量耗损减少1/3。

  日常生活中,高强度的金属玻璃已被应用于滑雪、网球、高尔夫球拍、自行车、潜水装置等体育装备上;磁敏感的金属玻璃也用于书、光盘的防盗标签。相信在不久的将来,随着其制备工艺和研究进展,我们将可以看到金属玻璃制成的手表表壳、高档手机、手提电脑外壳,以及在汽车重要部件上的应用。

  神秘的玻璃世界

  玻璃是我们最熟悉的材料之一,它虽然普通,但绝不简单——玻璃包含很多深奥的科学问题,人们至今对这些问题的认识还很肤浅——为什么玻璃会形成?玻璃到底是固体还是液体?玻璃为什么很脆?玻璃脆性断裂机理是什么?液体和熔体变为玻璃的过程称为玻璃转变,它是各种玻璃制造中几乎都涉及到的一个不可缺少的过程。诺贝尔物理学奖获得者Anderson曾称其是凝聚态物理中最深、最有趣的问题。

  再比如在玻璃化转变过程中涉及到自然界的很多现象,让有生命的与无生命的物质产生许多奇妙的现象和结果。

  某些动物和植物可以在非常恶劣(高压、低温和干燥)的环境下生存,被认为是生命力最强的动物,其实它们就是借助玻璃态的保护作用——当严酷环境来临时,这些生物就会进入潜生状态——自己进入玻璃态,保护自身组织不受伤害。当外界条件改善后,它们又可以重新恢复活力。

  科学家也尝试着用类似的方法来长期保存生物体、血液、药品等。像玻璃一样透明清澈的试管婴儿冷冻备选胚胎,就是采用玻璃转变方法实现“玻璃化”冷冻。这种方法降温速度快,对胚胎影响小。玻璃化保存胚胎的作用在于万一患者首次怀孕失败,可以将冷冻胚胎解冻后再次进行胚胎移植,还可使用保存下来的胚胎再次生育。在零下196℃的情况下,玻璃化冻存的胚胎和卵子的代谢几乎处于静止状态,理论上能保存十年。而且玻璃化冷冻复苏概率远高于传统的慢速冷冻胚胎的复苏率,胚胎解冻后就能移植进母体发育生长。

  如今,玻璃已经越来越受到科技界的关注。纽约时报最近刊登了题为《玻璃本质仍不清楚》的文章,指出玻璃本质研究的重要性:“认识玻璃不仅可以解决一个长期基本(值得获诺贝尔奖)的问题,且能获得更好的玻璃材料,还可能对制药有帮助。因为非晶态的药更容易被身体吸收,从而使很多药物可以避免使用注射方法,而是直接口服。玻璃研究的手段和技术也能促进其他领域(如生物、材料学等)问题的解决。”(汪卫华作者为中科院物理所研究员)