非晶合金：超級“變形金剛”

馬將

“它可以根據(jù)環(huán)境隨意變形， 受傷或中彈后傷口會像液體一樣自動愈合”，這是科幻電影《終結(jié)者》中所塑造的非晶合金機器人形象。它之所以這么厲害，是因為其身體是由一種叫非晶合金的材料制成的。

那么現(xiàn)實生活中有沒有這樣的材料呢？有，它已被科學家成功研制出來。美國科學家預言，它可能引起材料應用史上的第三次革命。

金屬外表，玻璃心

人類從第一次發(fā)現(xiàn)非晶合金（又稱金屬玻璃），到對它進行廣泛而深入的研究，才只有幾十年的時間。可以說，它是金屬材料家族中非常年輕的成員。

非晶合金是由多種元素混合熔煉所得的金屬合金。它有金屬的不透明、導電、導熱等性質(zhì)，有明顯的金屬光澤；還有玻璃的高強度、硬度和內(nèi)在本質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。因此，它也叫金屬玻璃或液態(tài)金屬。

它既有金屬的外表，又深藏著一顆玻璃的心，兼?zhèn)淞硕叩膬?yōu)點，又克服了二者的弊病，被譽為敲不碎、砸不爛的“玻璃之王”。

制備秘訣：冷得快

直到20世紀60年代，杜威茲等美國科學家才制備出非晶合金。它這么晚才被發(fā)現(xiàn)，主因是制備它的方法很特殊。

金屬高溫熔化自然冷凝，得到的就是晶態(tài)的普通金屬[原子排列如圖（a）]。如果人為加快熔體的冷卻速度，如快到每秒10000攝氏度甚至更快，那得到的就是非晶態(tài)合金[原子排列如圖（b）]。

所以，制備非晶合金的訣竅只有一個：冷得快！通過急速冷卻法制得的非晶合金強度高、硬度高、耐磨、耐腐蝕性強、彈性好……此外，它最神奇之處則是有像玻璃或塑料一樣一加熱就會軟化的熱塑性。

拉面條，吹氣球

非晶合金具有熱塑性，它在特定溫度下（此溫度區(qū)間稱為冷液相區(qū)），就能按人的需求隨意變形，就像《終結(jié)者》中的機器人一樣。

利用非晶合金的熱塑性，我們可以像拉面條一樣，將其越拉越長[見圖（c）]；甚至可以像吹氣球一樣，將其“吹成”球狀容器[見圖（e）]。此外，它也能在開水中任意變形，能在其表面印制各種圖案。

“微形”小物件

非晶合金獨特的熱塑性，不僅能對宏觀尺度成形，更擅于進行微米到納米級微觀尺度的成形，它也被譽為“理想的微納米成形材料”。

與傳統(tǒng)的微加工成形材料和技術(shù)相比，它具有制備效率高（成形周期以秒為單位，通常小于半分鐘）、成形精度好（尺寸誤差在2‰左右）、表面質(zhì)量優(yōu)異（表面粗糙度在10納米左右甚至更小）、工藝簡單以及成本低等優(yōu)點。

利用圖（g）的方法，我們能在非晶合金表面制備各類微結(jié)構(gòu)圖案。如比人頭發(fā)絲還細十倍的圓孔或長條狀；小于半毫米的“LOVE”圖案；線尺寸比細菌還小的小米手機logo陣列等。

“微應用”前景好

隨著微電子器件及精密機械的高速發(fā)展，在當前結(jié)構(gòu)、器件微型化的大趨勢中，細微零件和產(chǎn)品的成形加工越來越重要。

英國劍橋大學著名學者A.L.Greer認為，非晶合金未來極有前景的應用之一，就是在微納米成形加工中的應用。它優(yōu)良的熱塑性和成形性，能在其表面制備功能性微結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)一系列相關(guān)器件及產(chǎn)品。

如，在其表面壓印出1/10頭發(fā)絲大小的光柵結(jié)構(gòu)，就得到光柵器件，這在精密分析儀器中應用前景廣闊；在其表面制備出荷葉形的微納米復合結(jié)構(gòu)，就能實現(xiàn)類似荷葉的超疏水自清潔效果，這在防腐、防污、防水、防雪、石油運輸、新型水上交通工具中應用前景廣闊。

此外，它在醫(yī)學、精密儀器，尤其是正在興起的微機電系統(tǒng) （MEMS， Micro-Electro-Mechanical System）領域具有十分廣闊的應用前景。

知識鏈接

荷葉效應，蓮花的自潔現(xiàn)象。顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)荷葉和荷花的表面，盡是20微米大小的“疙瘩”結(jié)構(gòu)，這是它“出淤泥而不染”的原因。人類通過納米技術(shù)仿“荷葉”結(jié)構(gòu)，也能制出超疏水、自清潔的表層。

非晶合金兼有金屬與玻璃、固體和液體的特性，它是材料界眾多“紀錄的保持者”。它的熱塑性，使其表面能以優(yōu)異的尺寸精度制備出精密的微細結(jié)構(gòu)。因此，它被認定為“最理想的微納米成形材料”。