金属玻璃有望按照人的所需精准控制而不是靠运气 威斯康星大学研究取得新进展


       日前,materialstoday刊文介绍威斯康星大学在金属玻璃研究中取得新进展。其成果介绍说,金属玻璃有望按照人的所需精准控制而不是靠运气。

       原文是这样介绍的——

       几千年来,人们一直通过融化沙子和其他成分的混合物来制造玻璃、时尚珠子、容器、镜头和窗户。现在研究人员正在开发完全由金属原子制成的金属玻璃。金属玻璃的发现和研究已经五十多年了,因为这种玻璃拥有超强的硬度、顶尖的强度、无与伦比的光滑度和耐腐蚀性,所以可以用于生物医学领域,如制作外科手术针、支架、人工关节或植入物等。半个多世纪以来,金属玻璃不但成为了性能独特的新材料,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。金属玻璃的研究已成为凝聚态物理学科的重要分支。


来自威斯康星大学麦迪逊分校的Paul Voyles教授

       虽然试错法与科学研究结合后可以帮助完善金属玻璃制造过程,但是在制造时还不能实现原子水平上的精确控制,很大程度上仍然依靠长期的经验和直觉。威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程学院Paul Voyles教授说:“我们的工作是通过大量的数据得出这种材料在成型过程中的基本规律。”

       Voyles和来自麦迪逊、耶鲁大学的合作者们现在已经取得了重大的实验进展,他们发现了在液态玻璃转变为固态玻璃过程中,熔融金属中不断移动的原子是在何时以及何处锁定的。研究小组在《Nature Communications》杂志上发表了他们的最新研究结果。

       正是这些资料,才能为几种相互竞争的理论增加必要的理论依据,即玻璃化转变的发生机理。它同时能帮助减少开发新型金属玻璃材料的时间和成本,并使制造商能够更深入地了解相关的工艺设计。

       在生产金属玻璃的过程中有一个重要问题,那就是金属从熔融液体凝固成固体时往往会出现结晶现象,形成有序、有规律的重复原子结构。相反,玻璃材料具有高度无序的原子结构。虽然制造高性能的金属玻璃听起来很简单,阻止金属原子在金属冷却时形成晶体就可以了,但实际上这却像抽奖时能够中奖一样困难。

     “形成玻璃的过程和形成晶体的过程相互竞争,能够以更快的速率发生反应的一方取得最后的胜利,同时决定了最终产品的类型,”Voyles这样说。

       在液体中,所有的原子相互间都做着永不停歇的运动。当液体状态的金属冷却并开始向固体的转变时,它的原子运动就会减慢,最终停止移动。这是一个复杂的原子级的运动,科学家们还在探索其中的奥秘。Voyles和他的合作者利用他们在电子显微镜和数据分析方面的专业知识,已经测量出熔融金属液体中原子的环境发生波动的情况下,一个原子获得或失去相邻原子的平均时间。

       Voyles解释说:“每个原子都被一堆其他原子包围着。在非常高的温度下,原子会在周围弹跳,每1皮秒(万亿分之一秒)时间后它们就有了一组新“邻居”。随着温度的降低,他们和“邻居”的联系越来越紧密,直到他们永久地结合在一起。”

       在高温下,原子都移动得很快。当液体冷却时,它们移动得比较慢。生产金属玻璃最理想的方法是让所有的原子一起减速,同时保持相同的速度,直到他们停止移动,这样就会形成一个固体玻璃。

       Voyles说:“我们现在已经用实验证明了不能实现这种理想控制。”

       相反,他的团队的实验证实,原子在同一液体中从一个地方到另一个地方所需的时间存在很大差异,至少相差一个数量级。

       Voyles解释说:“一些纳米尺寸的区域首先会变得“粘稠”,并长时间地与周围原子保持联系。而在粘稠区域之间则是原子移动得更快的区域,它们继续以10倍的速度波动着。然后所有区域的原子运动都变慢了,但是粘稠的区域也变大了,直到粘稠的区域占据了多数,材料才变成了固体。”

       现在,他和他的合作者们正在努力研究慢区域和快区域中的原子排列有何不同:这是接下来要研究的一个重要问题。

       Voyles表示,这一成果提供了关于材料从液体向固体转变的基本过程的宝贵信息,可以应用在所有玻璃材料,以及从塑料瓶到药物制剂等许多其他材料上。

       他说:“这真的是基础科学。但是,如果我们真的在原子水平上理解他们的形成原理,会对实际应用产生巨大的影响。那时候我们就有机会实施精准的控制,按照我们的想法制造出我们所需要的玻璃,而不是依靠我们的运气来生产玻璃。”

       该工作得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。


       原文题目:New study helps clarify liquid-to-glass transition process



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