神奇的“金屬玻璃”

吳再豐

在好萊塢電影《終結者》中，由金屬制成的變形機器人T-3000能隨意變換成各種形狀，甚至可以從門下的小縫隙中飛走?，F在對于人類來說，這將不再是科幻片中的幻想。一種新型的“終結者”材料面世，這就是“金屬玻璃”。目前科學家研制的金屬玻璃，強度是工業用鋼鐵的3倍，柔韌性是鋼鐵的10倍。

金屬玻璃是一種特殊的合金材料。通常金屬原子都是有序排列的晶體結構，而在金屬玻璃中，原子的排列如同液體或者玻璃一樣雜亂無章。雖然從嚴格意義上來說，金屬玻璃并不是液體，但是由于它沒有固定的外形，可以像液體一樣隨意流動，所以人們喜歡形象地稱之為“液態金屬”。

金屬玻璃的問世打破了建立在金屬晶體結構基礎上的傳統金屬學研究方法，它的許多獨特而且寶貴的性能使其在實際應用中初露鋒芒。

金屬保持玻璃狀

有專家認為“金屬玻璃”是繼鋼鐵、塑料之后，給產業界帶來的又一次革命性的變革。長期以來，人們總認為這種非晶態的金屬玻璃是不可能制成的。我們在日常見到的冰，是水分子形成六棱柱體的結構。流動是水分子自由活動的一種狀態，一旦變成固體，則水分子就被井然有序地排列固定。即使金屬也一樣，在高溫熔融狀態下，原子或分子可隨意活動。但是，一旦冷卻變成固體則呈晶體結構。

那么，玻璃又會是怎樣呢?我們家里通常用于窗戶或杯子的玻璃被稱之“氧化物玻璃”，其主要成分是二氧化硅。氧化物玻璃從液態變為固態時，分子也不會組成有序的結晶結構，而是在隨機排列下固化，即保持液體那種狀態。由于高溫熔融狀態下的玻璃呈液體結構，所以幾百年前在歐洲燒制的玻璃是下部比上部厚。此外，玻璃變成固體的過程中，它還會形成“過冷卻液體”的狀態，即變成糖稀那樣的狀態。例如在玻璃車間把熔融的玻璃吹制成器皿時，此時的玻璃就是處在“過冷卻液體”的狀態。

何謂玻璃的“過冷卻液體”狀態呢?即如果玻璃從液態冷卻成固態時，當溫度降到比其固化時的溫度還要低時，玻璃仍然呈現液態的一種現象。

超驟冷非昌合金

通常物質在過冷狀態下極為不穩定，只能保持幾秒鐘。但是，玻璃卻能夠以過冷狀態長時間存在。為此專家將具有過冷狀態性質、原子隨機排列的非晶體結構的物質稱為“玻璃”。

通常金屬可以說無法以非晶態固化，而且固態金屬必定是結晶結構，但是上個世紀60年代美國加州大學的研究小組發現，只要條件具備，金屬也可像玻璃那樣非晶結構固化。他們使用一種特定的合金，通過1秒內將其冷卻100萬攝氏度的方法成功地制造出具有原子隨機排列的金屬。該方法是將合金在液體狀態下超速驟冷，加以固化。銅或鐵等普通金屬，從過冷液體到凝固結晶的時間是在0.00001秒內，而加州大學使用的合金結晶時間是0.0001秒左右。在此期間驟冷，成功將金屬在隨機結構下凝聚成固體。但是，它不能像過冷卻液體那樣能夠長期存在，所以不算是玻璃。

為了在1秒內驟冷100萬攝氏度，只能制造厚度僅為20微米的箔片。如果箔片不是很薄，溫度就不均勻，仍然會結晶。此外，驟冷需要特殊設備，而且只能制造箔片，應用范圍十分有限。

真正的“金屬玻璃”誕生

原子隨機排列的非晶金屬具有強度高、韌性好和耐腐蝕等特點。如果除了薄的箔片外還能夠制造出各種形狀的非晶金屬，那么，它的應用就會十分廣泛。

目前，科學家在不使用超驟冷的條件下，已經能夠以每秒1℃的冷卻速度成功地制造出各種開關的非晶金屬，并且只要很好地搭配金屬元素，就能讓這些非晶金屬以過冷卻狀態比較穩定地存在。由于科學家制造成功的非晶金屬，其原子具有隨機的非晶結構，而且能夠以過冷卻液體的狀態存在，故稱之為“金屬玻璃”。

卓越性能露鋒芒

實踐表明制造金屬玻璃的材料應具有以下的共同特征：金屬玻璃具有三種以上的元素，而且它們互不相斥，具有容易結合的性質?？茖W家認為，迄今為止被發現的金屬玻璃皆滿足這些條件，但是并非所有滿足這些條件的金屬都能制造出金屬玻璃。

金屬玻璃具有哪些卓越特點呢?金屬玻璃的強度高、韌性好、耐腐蝕，具有迄今為止金屬所沒有的各種特性。我們知道，通常金屬的結晶中存在“缺陷：即金屬結晶體存在的原子脫落部分或錯動部分。這種缺陷使原子可以挪動，所以施加一定的力，可使金屬彎曲也能復原，當然力量過大仍可能使它折斷。

總之，與結晶金屬相比，金屬玻璃沒有結晶結構，原子在一點點的間隙中有活動余地，因此它比普通金屬的彎曲性、復原性更好?？茖W家還發現金屬玻璃比結晶金屬的彈性極限提高了3倍。另外，在耐腐蝕性上，由于結晶金屬存在“缺陷”，容易給腐蝕的發生提供縫隙，而金屬玻璃的表面整齊致密，不給腐蝕提供任何機會，所以其耐腐蝕性更強。如果再使用一種以上的耐腐金屬作為金屬玻璃的成分，那么這種金屬玻璃的耐腐蝕性就會大大加強。

美國利用金屬玻璃出色的彈性進行防彈車身和戰艦的研制。日本考慮到這種材料的成本昂貴，目前還沒考慮用于普通轎車的計劃，但是他們正在研究用于汽車剎車器等壓力傳感器上。壓力傳感器是通過金屬的應變量來進行工作的?？茖W家介紹，與原來使用的材料相比，使用金屬玻璃可以將靈敏度提高3.8倍。將來，一旦燃料電池汽車普及，它將成為不可或缺的元件。因為在燃料電池汽車中，為了檢測氫氣或空氣的壓力，耐用性強、靈敏度高的壓力傳感器將必不可少。

納米領域顯神威

金屬玻璃還將在納米領域內大顯威力。金屬玻璃能夠像玻璃那樣自由變形加工。過去人們把熔融的結晶金屬澆鑄到模子里，也能制造出與模子形狀一樣的產品。但是結晶金屬在冷卻凝聚成結晶時，因有結晶的錯位等缺陷，如果在顯微鏡下觀察，表面會呈現凹凸不平的狀態。為此，從納米尺度來看，我們是無法正確復制這個產品的。如果我們把金屬玻璃照舊以過冷卻液體澆鑄到模子里凝固。就能夠精確地復制產品。

金屬玻璃能夠正確復制100納米寬的溝槽，結晶金屬是無法達到的。另外以照片為基礎通過激光加工造型，將照片復制在金屬玻璃表面也是可能的。

迄今為止能夠自由加工的是塑料等高分子材料。現在，金屬玻璃除了與塑料一樣可自由地加工外，強度還高，這無疑將使它成為代替塑料的材料?？茖W家們正在抓緊時間利用金屬玻璃研制出更小的馬達。例如小型的相機或內檢鏡，以及微型機器人等的驅動馬達等。其中有一種“血管疏通器”，是安裝在導管前的旋翼葉片，就是用金屬玻璃制造的微型馬達驅動，它可以除掉堵塞血管的血栓等。

金屬玻璃還是一種優異的磁性材料，具有高飽和磁感應、低鐵損等優點。如果用金屬玻璃來制造收錄機的磁頭，可以避免磁頭尖部的脫落現象，降低磁頭與磁帶摩擦發出的噪聲，這將會給人們帶來優美清晰的音質和理想的音響效果。另外，如果用金屬玻璃來代替變壓器中的硅鋼片，可使變壓器的空載損耗減少三分之二。照此推算，如果全中國家庭的變壓器都采用金屬玻璃鐵芯，那么，每年全國可節約100億千瓦時電能，約合50億人民幣。

現在實際制造出來的金屬玻璃有1000種左右。但是如果合理組合各種金屬元素，理論上可能有1萬種以上的金屬玻璃。由此看來，用金屬玻璃開啟的新金屬文明前景燦爛。

責任編輯蒲暉