近日，一個(gè)歐洲研究團(tuán)隊(duì)利用歐洲同步加速器的X射線研究了金屬玻璃的形成過(guò)程，從微觀角度揭示了合金從液體到固體的“玻璃化轉(zhuǎn)變”過(guò)程。這一認(rèn)識(shí)上的飛躍將給世界金屬玻璃及其他玻璃材料研究帶來(lái)重要影響。

金屬玻璃(又稱非晶合金)是在快速(例如不到1秒)冷卻時(shí)不結(jié)晶的合金。與緩慢冷卻并結(jié)晶的傳統(tǒng)合金不一樣，金屬玻璃的原子不形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，而是大致保持其在熔融體中的位置。這使金屬玻璃既像鋼一樣堅(jiān)固，又像塑料一樣具有彈性。自1960年問(wèn)世以來(lái)，因其高強(qiáng)度、大彈性極限、優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕、耐輻射及軟磁等性能，在國(guó)防、電子信息、能源高技術(shù)等各領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

然而在這種“玻璃化轉(zhuǎn)變”中，原子層面究竟發(fā)生了什么?迄今尚未完全弄清楚。過(guò)去的幾十年中，了解玻璃的形成方式一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。類(lèi)似研究在十多年前曾由于技術(shù)原因失敗過(guò)。

最近，由德國(guó)薩爾大學(xué)材料學(xué)家伊莎貝拉·加利諾博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在這方面取得重大進(jìn)展。加利諾團(tuán)隊(duì)與西班牙的沙維爾·莫尼爾博士和丹尼爾·坎賈洛西博士、法國(guó)的比阿特麗斯·魯塔博士一起進(jìn)行了前所未有的詳細(xì)研究。他們利用位于法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置(ESRF)的高能X射線，研究一種特殊的金合金的過(guò)冷熔體，特別在其從大約150℃(液體)“凍結(jié)”到大約115℃(玻璃態(tài))這一過(guò)程。他們用了新的“快速量熱儀”研究冷凍過(guò)程本身，終于取得成功，從合金原子層面揭示了其遷移率是如何降低的。

加利諾博士說(shuō)，人們一直認(rèn)為，隨著原子遷移率的降低，液體的特性相應(yīng)下降，而固體的特性穩(wěn)步增長(zhǎng)，但這種一對(duì)一的關(guān)聯(lián)并不完全正確。因?yàn)楹辖鹑垠w由大小各異的不同原子組成。雖然像金原子這樣的大原子已經(jīng)被凍結(jié)，但是像硅這樣的小原子仍然可以移動(dòng)。這種集體流動(dòng)意味著在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)仍然存在遷移率，因此材料仍然表現(xiàn)得像液體。只有當(dāng)較小的原子也凍結(jié)時(shí)，液體才最終固化成玻璃。

研究人員對(duì)“玻璃化轉(zhuǎn)變”這一關(guān)鍵過(guò)程的認(rèn)識(shí)，有助于創(chuàng)建新材料或了解現(xiàn)有材料的特性。除了金屬玻璃，它還會(huì)促進(jìn)世界范圍內(nèi)其他玻璃材料(例如聚合物和離子液體)的研究。相關(guān)成果在線發(fā)表于近日的《科學(xué)進(jìn)展》上。(李山)

標(biāo)簽： 金屬玻璃形成過(guò)程