比塑料易塑，比不锈钢还刚

经过多年的攻关，中国科学家近年来在金属玻璃的制备和机理研究方面取得了一系列重大进展，并成功制备了卫星太阳能电池等用于拉伸机理的非晶合金材料。大型太阳能电池阵列延伸机构和空间探测器圆盘压接延伸杆等部件是卫星的关键部件，需要高强度和高弹性的材料。由于我国没有这种高性能材料，这些零件往往不得不依赖进口。北京航空航天大学张涛教授的团队成功地为卫星太阳能电池阵列扩展机制制备了非晶合金材料，为应用创造了可能性。科学家还利用金属玻璃粉的高硬度、高弹性和低摩擦系数，将其用于润滑和其他领域，以改善润滑油的性能。3000多年前，一艘满载水晶矿物“天然苏打”的欧洲腓尼基商船在地中海沿岸的贝鲁斯河上航行。随着海水退去，商船搁浅，船员们一个接一个地登上了海滩。一些水手还带着大锅和木柴，用几个“天然苏打”作为大锅的支撑，在沙滩上煮饭。当他们撤退的时候，他们发现锅下面的沙子上有一些晶莹的东西！这些闪亮的物体是最早的人造玻璃。1959年，加州理工学院的德威茨教授等人利用玻璃制备的方法，将高温金硅合金熔体喷到高速旋转的铜辊上，以每秒100万度的冷却速度快速冷却熔体，从而首次获得不透明玻璃。当时一位物理学家看到这种合金材料时，嘲笑它是“愚蠢的合金”。这种不透明、看似“愚蠢”的东西是金属玻璃，它在材料科学领域开辟了一条新路。金属玻璃是玻璃吗？它的目的是什么？它与我们的生产和生活有什么关系？我们今天知道它的内部结构吗？与其他材料相比，有什么特别之处？它能被我们使用吗？带着这些问题，记者采访了中国科学院物理研究所的研究员王伟华。——年轻有为的新材料——高弹性、高强度、强软磁的王伟华告诉记者，塑料、玻璃、松香、石蜡、沥青、橡胶等常见材料都是无定形固体。它们的共同结构特征是内部原子或分子的排列呈现高度无序的分布状态。如果像钢这样的结晶固体的原子秩序像阅兵，那么像玻璃这样的无定形固体的原子秩序就像王府井大街上熙熙攘攘的人群。金属玻璃是由普通金属元素组成的。它在颜色和外观上与普通金属材料没有什么不同，但其力学、物理和化学研究力学性能发生了显著变化。根据不同的性质，材料可分为结构材料和功能材料。结构材料利用其机械性能制造用于受力构件的材料，如增强水泥、沙子和砾石。功能材料是指除机械性能外还具有其他物理性能的特殊材料，如超导材料和能源材料。金属玻璃在结构和功能上比传统材料具有更优异的性能。金属玻璃因金属元素的不同而具有不同的特性。王伟华说，含铁元素的金属玻璃可以用作磁性材料或催化剂，含钴元素的金属玻璃可以用作磁敏材料，含钛和锆元素的金属玻璃具有高弹性和高强度，而含稀土元素的金属玻璃具有许多功能特性。——它将进入生命——它可能成为航天、军事和工业的重要基础材料。目前，卫星太阳能收集和运行的大部分延伸机构都是由高分子有机材料制成，这些材料容易挥发和老化，会对整个系统的运行造成障碍。因此，耐腐蚀、耐冲击、耐冷热的金属玻璃有可能成为未来理想的候选材料。在军事方面，由于其优异的机械性能，金属玻璃可用于制*坦克动能穿甲弹。由金属玻璃和钨制成的穿甲弹头具有高密度、高强度、良好的穿甲性能、自锐效应和高绝热剪切感度的贫铀弹头。它有望取代对人类健康和环境造成严重危害的贫铀弹药。在工业中，电压互感器的铁芯需要软磁。软磁越高，磁心损失的能量越少。目前，硅钢片广泛应用于变压器中，而软磁性能较高的金属玻璃可使变压器重量减轻1/3，能耗降低1/3。与此同时，金属玻璃正在成为电力、电力电子和电子信息领域不可或缺的基础材料。在生活中，高强度金属玻璃已经应用于网球拍、自行车、潜水设备和其他运动器材。磁敏金属玻璃也用于书籍和光盘的防盗标签……在不久的将来，我们将看到金属玻璃制成的表壳和笔记本电脑表壳。即使在未来，佩戴金属玻璃首饰也可能成为时尚风向标。如果上述可能性成为现实，我们的生活将会有更多的选择和便利。新材料的梦想离我们有多远？专家从其制备技术和研究进展两个方面回答了这个问题。-被困的脚步-金属玻璃液体只能在超过每秒100，000℃的冷却速度下制备。它可以通过两种方式固化:一种是不连续固化成结晶固体；另一种是连续固化成无定形固体，即玻璃。在正常情况下，液体冷却到熔点时会结晶，导致体积和焓的突然变化。然而，如果冷却速度足够快，它将不会在熔点以下结晶，而是在玻璃化转变温度以下变成过冷液体和无定形固体。专家表示，为了获得金属玻璃，必须采用快速冷却法，这是制备非晶固体材料的常用方法，要求冷却“足够低”和“足够快”。“足够低”意味着温度必须冷却到金属变成无定形固体的程度；“足够快”是指在冷却过程中，液体处于形成晶核和晶核生长的“危险”中。因此，液体应迅速穿过危险的温度区，到达非晶态固体的安全区，以避免结晶过程并获得玻璃。达到“足够低”和“足够快”这两个条件在实验中是困难的，在生产中甚至更困难。例如，铁基金属玻璃需要每秒100，000℃或更高的冷却速度。另外，高速旋转铜模生产的带状非晶合金材料的收集和材料均匀性的控制都是生产中的难题。■现有方法检测金属玻璃内部结构的能力有限。材料研究者的梦想是开发一种像塑料一样的金属材料，它在非常低的温度下(尤其是接近室温的温度下)表现出粘性和极好的可塑性。然而，目前我们对金属玻璃的认识还不够，不能通过调整其内部结构来改善其物理性能。对于非晶态固体的内部结构没有非常有效的研究方法。现有的微观结构分析方法，如x光和中子衍射仪器、电子显微镜、各种能谱仪等。，检测和分析金属玻璃内部结构的能力非常有限，只能通过计算机模拟来推断金属玻璃的内部结构。此外，为什么高度无序亚稳态结构的非晶态固体能够稳定存在？它优越的物理性质和高度无序的内部原子之间有什么联系？这些问题的答案将为新材料的梦想插上翅膀。■相关链接玻璃的历史说到玻璃，人们可以追溯到5000年前在伊拉克美索不达米亚平原制造的世界上第一个人造玻璃。1500年前，埃及建立了第一家玻璃工厂。玻璃遍布整个文明。希腊人用两个词来描述玻璃——“流动和熔化的石头”和“透明和清晰”。大约公元前3700年，古埃及人用适当的氧化物熔剂熔化应时，生产传统的硅酸盐玻璃，并制作玻璃装饰品和简单的玻璃器皿。那时，只有彩色玻璃。大约公元前1000年，中国生产出无色玻璃，也称为琉璃。12世纪，商用玻璃出现并开始成为一种工业材料。在18世纪，光学玻璃是为了满足发展中的望远镜的需要而制造的。1873年，比利时首次制造平板玻璃。1906年，美国生产了一台大规模生产平板玻璃的机器。此后，随着玻璃的产业化和大规模生产，各种用途和各种性能的玻璃相继问世。由于其在光学、化学和物理方面的优异和特殊性能，玻璃不仅用于建筑、运输、包装和照明等日常生产和生活中，而且是光学、电子和光电子等科学技术领域不可或缺的重要材料。材料的演变当谈到材料时，首先想到的是什么？建筑用砖和瓦，实验用铝合金、酸、碱和盐，还是制造机械设备用的铜线？事实上，我们生产和生活中的各种材料经历了几次革命性的变化，钢、塑料和金属玻璃成为材料发展的关键词。钢铁:1855年，英国的贝塞麦发明了酸性转炉炼钢法，大大降低了炼钢成本。它被广泛用于工厂、汽车、铁路、桥梁和高层建筑的建设，为第一次现代材料工业革命奠定了基础。塑料:20世纪40年代，化学家发明了热塑性塑料。虽然它的强度只有钢的1/50，但这家工厂可以用一个模具生产许多相同的零件。其易塑性使其得到广泛应用，并成为第二次材料工业革命的基础。金属玻璃:在21世纪初，金属玻璃的出现让科学家们隐约看到了第三次材料工业革命的曙光:金属玻璃的强度是不锈钢或钛的两倍，其可塑性与塑料相当，兼有钢和塑料的优点。超强金属玻璃的发展将推动这种新材料在其他民用领域的应用，如飞机部件、生物医学植入物、精密光学器件甚至体育娱乐产品，带来巨大的经济效益。英国科学家称，地球上的黄金来自40亿年前的一场流星雨——第二阶段的科学家最近声称，地球上所有的黄金和白金都来自大约40亿年前的一场巨大的“流星雨”。研究人员还指出，地球核心区域的金和铂含量足以在地球表面形成一层厚达4米的“贵金属层”。大多数金和铂集中在地球深处的原因是它们有很大的比例。当地球的物质在早期处于熔融状态时，重物质下落和轻物质上升的分化和变化就形成了这样的结果。这导致地球近表面几乎没有黄金或白金，直到又过了两亿年，一场猛烈的流星雨才袭击了地球。那时，超过2000亿吨的陨石物质从天空落下，轰击着新生的地球。倾泻而下的材料中有黄金和铂。这场猛烈的陨石爆炸已经持续了2亿多年。英国布里斯托尔大学的地质学家发现，巨大的陨石雨给地球表面增加了珍贵的金属元素，这些元素由于早期的重力差异而变得稀少。格陵兰拥有地球上最古老的岩石，它们是在地球诞生之初形成的。这里的岩石样品分析发现，与更现代的岩石样品相比，这些古老的岩石含有稍高含量的钨同位素182W。因此，现代岩石必须来自陨石雨，这证明这些岩石中的黄金和铂储量来自外层空间。布里斯托尔大学地球科学系同位素组的马蒂亚斯·威尔博尔德博士和蒂姆·埃利奥特教授是这项研究的带头人。威尔伯博士说:“很难从岩石样品中提取钨，并进行符合标准的同位素分析，因为经过这么长的地质时间，这些物质的残留量已经很少了。”他说:“事实上，我们是世界上第一个成功进行这种高精度实验室测量的实验室。我们的测试结果表明，如今我们的经济和许多关键工业建筑所依赖的大多数稀有金属都是上天赐予我们的礼物，是在地球形成约2000亿年后，由一场巨大的陨星雨带给我们的，这场雨给我们的星球带来了2000亿吨的物质。”