玻璃與金屬的完美合體

　　金屬玻璃，顧名思義，就是一種既有金屬特性，也有玻璃特性的新材料。上世紀(jì)50年代，這種材料被偶然發(fā)現(xiàn)，但卻被美國(guó)物理學(xué)家稱(chēng)為“愚蠢的合金”。今天，金屬玻璃因其特性——強(qiáng)度是不銹鋼或鈦的兩倍，易塑性堪比塑料——正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。

　　要想了解金屬玻璃，首先還是從玻璃講起。

　　我們生活在充斥著玻璃的世界，很多人都以為玻璃的廣泛應(yīng)用是工業(yè)革命的產(chǎn)物，但事實(shí)上，玻璃是人類(lèi)使用最古老、最廣泛的材料之一。

　　我們的遠(yuǎn)古祖先——原始人，很早就在利用天然玻璃黑曜石的斷口，也就是我們常說(shuō)的“玻璃碴”來(lái)宰殺動(dòng)物、裁制獸皮衣服。玻璃材料對(duì)人類(lèi)文明史產(chǎn)生了不容忽視的影響。正如陶瓷材料貫穿中華文明和文化一樣，自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，玻璃材料貫穿古希臘文明、羅馬文明、文藝復(fù)興、歐洲啟蒙運(yùn)動(dòng)、工業(yè)革命等歷史時(shí)期，直至當(dāng)代。例如，因?yàn)槠桨宀ＡР牧系某霈F(xiàn)，才有了玻璃窗戶(hù)，才讓寒冷的北歐適于居住和文明化；有了玻璃，我們的前輩才能研究星體的運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)系的構(gòu)造，以及微生物的奧秘。不少學(xué)者認(rèn)為，玻璃在東西方文化和文明的差異、分歧中扮演了致關(guān)重要的角色。

　　玻璃材料是人類(lèi)歷史上最偶然的發(fā)明之一。3000多年前，一艘腓尼基人的商船，滿(mǎn)載著晶體礦物“天然蘇打”，航行在地中海沿岸的貝魯斯河上。由于海水落潮，商船擱淺了，于是船員們登上沙灘，把幾塊“天然蘇打”支起作為大鍋，在沙灘上做起飯來(lái)。他們撤退時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋下面的沙地上有一些晶瑩明亮、閃閃發(fā)光的東西！這些閃亮的物體就是最早的人工玻璃。

　　金屬玻璃的發(fā)現(xiàn)也非常偶然。1959年，美國(guó)加州理工大學(xué)的Duwez在研究晶體結(jié)構(gòu)和化合價(jià)極其不同的兩個(gè)元素能否形成固溶體時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了這種新材料。他將高溫金—硅合金熔體噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，以每秒一百萬(wàn)度的冷卻速度快速冷卻熔體，第一次制備了不透亮的玻璃。當(dāng)時(shí)的一位物理學(xué)家看到這種材料時(shí)，曾嘲諷地說(shuō)這是一種“愚蠢的合金”。

　　半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，金屬玻璃已經(jīng)從當(dāng)初“愚蠢的合金”，發(fā)展成為今天航天、航空等高技術(shù)領(lǐng)域和高檔手表、手機(jī)等時(shí)尚品爭(zhēng)相選用的材料。

　　作為兼有玻璃、金屬，固體和液體特性的新型金屬材料，它是材料界很多紀(jì)錄的“保持者”——金屬玻璃是迄今為止最強(qiáng)的金屬材料和最軟的金屬材料之一，最強(qiáng)的鈷基金屬玻璃的強(qiáng)度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的6.0GPa，最軟的鍶基金屬玻璃的強(qiáng)度低至300MPa；金屬玻璃是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的穿甲材料，最容易加工成型的金屬材料，最耐蝕的金屬材料，最理想的微、納米加工材料之一；金屬玻璃還具有遺傳、記憶、軟磁、大磁熵等獨(dú)特性能。

　　金屬玻璃不但是性能獨(dú)特的新材料，同時(shí)也是研究材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理中一些重要問(wèn)題的模型體系。近十幾年來(lái)，金屬玻璃材料的發(fā)展和應(yīng)用，把玻璃結(jié)構(gòu)、物理性能及相關(guān)的物理問(wèn)題的研究推向凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿。


　　“愚蠢合金”大放異彩

　　含有金屬元素不同，金屬玻璃也有不同的特性。含有鐵元素的金屬玻璃可以作磁性材料或作催化劑，含有鈷元素的金屬玻璃可以作為磁敏感材料，含有鈦、鋯元素的金屬玻璃具有高彈性和高強(qiáng)度，而含有稀土元素的金屬玻璃則有很多獨(dú)特的功能。

　　為什么金屬玻璃會(huì)有這么多獨(dú)特的性質(zhì)呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，這是由材料的原子排列結(jié)構(gòu)決定的。玻璃內(nèi)部的原子或分子的排列，呈現(xiàn)雜亂無(wú)章的高度無(wú)序分布狀態(tài)；而鋼鐵等晶態(tài)固體的原子排序則很整齊。打個(gè)比方，鋼鐵等晶態(tài)固體的原子排序好比列隊(duì)整齊的閱兵式，玻璃的原子排序就像是大街上熙熙攘攘的人群。在我們熟悉的幾種材料中，窗戶(hù)玻璃一般是硅與氧等元素合成的，塑料則是高分子玻璃。金屬玻璃是由不同金屬元素原子組成的非晶態(tài)合金，結(jié)構(gòu)上具有玻璃的特性，但因?yàn)槠浣饘僭氐募尤?，就具有了金屬的特性?br />
　　金屬玻璃由于具有很多不同于傳統(tǒng)玻璃材料的物理、力學(xué)、化學(xué)性能，在很多領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，或者說(shuō)有很大的應(yīng)用潛力。航天方面，現(xiàn)在衛(wèi)星收集太陽(yáng)能維持運(yùn)轉(zhuǎn)的伸展機(jī)構(gòu)大多使用的是高分子有機(jī)材料，存在易揮發(fā)和易老化的問(wèn)題，會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)造成障礙。因此，耐腐蝕、抗撞擊、耐冷熱的金屬玻璃有可能在未來(lái)成為理想的候選材料。金屬玻璃還被用來(lái)收集太陽(yáng)風(fēng)，研究太陽(yáng)的起源。

　　軍事方面，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，金屬玻璃可用來(lái)制造動(dòng)能破甲、穿甲彈。金屬玻璃和鎢復(fù)合制成的穿甲彈頭，密度高、強(qiáng)度大、穿甲性能好，具有自銳效應(yīng)，也具有貧鈾彈頭的高絕熱剪切敏感性，有望取代對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害的貧鈾彈。鐵基金屬玻璃可用于艦艇防腐、防磁。

　　工業(yè)方面，電壓變壓器芯體要求材料具有軟磁性，軟磁性越高，在芯體上損失的能量越少?，F(xiàn)在變壓器普遍使用的是硅鋼片，而具有較高軟磁性的金屬玻璃可以使變壓器重量減輕1/3，能量耗損減少1/3。

　　日常生活中，高強(qiáng)度的金屬玻璃已被應(yīng)用于滑雪、網(wǎng)球、高爾夫球拍、自行車(chē)、潛水裝置等體育裝備上；磁敏感的金屬玻璃也用于書(shū)、光盤(pán)的防盜標(biāo)簽。相信在不久的將來(lái)，隨著其制備工藝和研究進(jìn)展，我們將可以看到金屬玻璃制成的手表表殼、高檔手機(jī)、手提電腦外殼，以及在汽車(chē)重要部件上的應(yīng)用。

　　神秘的玻璃世界

　　玻璃是我們最熟悉的材料之一，它雖然普通，但絕不簡(jiǎn)單——玻璃包含很多深?yuàn)W的科學(xué)問(wèn)題，人們至今對(duì)這些問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還很膚淺——為什么玻璃會(huì)形成?玻璃到底是固體還是液體?玻璃為什么很脆?玻璃脆性斷裂機(jī)理是什么？液體和熔體變?yōu)椴ＡУ倪^(guò)程稱(chēng)為玻璃轉(zhuǎn)變，它是各種玻璃制造中幾乎都涉及到的一個(gè)不可缺少的過(guò)程。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Anderson曾稱(chēng)其是凝聚態(tài)物理中最深、最有趣的問(wèn)題。

　　再比如在玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程中涉及到自然界的很多現(xiàn)象,讓有生命的與無(wú)生命的物質(zhì)產(chǎn)生許多奇妙的現(xiàn)象和結(jié)果。

　　某些動(dòng)物和植物可以在非常惡劣（高壓、低溫和干燥）的環(huán)境下生存，被認(rèn)為是生命力最強(qiáng)的動(dòng)物，其實(shí)它們就是借助玻璃態(tài)的保護(hù)作用——當(dāng)嚴(yán)酷環(huán)境來(lái)臨時(shí)，這些生物就會(huì)進(jìn)入潛生狀態(tài)——自己進(jìn)入玻璃態(tài)，保護(hù)自身組織不受傷害。當(dāng)外界條件改善后，它們又可以重新恢復(fù)活力。

　　科學(xué)家也嘗試著用類(lèi)似的方法來(lái)長(zhǎng)期保存生物體、血液、藥品等。像玻璃一樣透明清澈的試管嬰兒冷凍備選胚胎，就是采用玻璃轉(zhuǎn)變方法實(shí)現(xiàn)“玻璃化”冷凍。這種方法降溫速度快，對(duì)胚胎影響小。玻璃化保存胚胎的作用在于萬(wàn)一患者首次懷孕失敗，可以將冷凍胚胎解凍后再次進(jìn)行胚胎移植，還可使用保存下來(lái)的胚胎再次生育。在零下196℃的情況下，玻璃化凍存的胚胎和卵子的代謝幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，理論上能保存十年。而且玻璃化冷凍復(fù)蘇概率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的慢速冷凍胚胎的復(fù)蘇率，胚胎解凍后就能移植進(jìn)母體發(fā)育生長(zhǎng)。

　　如今，玻璃已經(jīng)越來(lái)越受到科技界的關(guān)注。紐約時(shí)報(bào)最近刊登了題為《玻璃本質(zhì)仍不清楚》的文章，指出玻璃本質(zhì)研究的重要性：“認(rèn)識(shí)玻璃不僅可以解決一個(gè)長(zhǎng)期基本（值得獲諾貝爾獎(jiǎng)）的問(wèn)題，且能獲得更好的玻璃材料，還可能對(duì)制藥有幫助。因?yàn)榉蔷B(tài)的藥更容易被身體吸收，從而使很多藥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術(shù)也能促進(jìn)其他領(lǐng)域（如生物、材料學(xué)等）問(wèn)題的解決?！?nbsp;