不可思议的金属玻璃

一根直径4毫米粗的铜合金丝竟可以悬吊起3吨的重物；一种铁合金浸在强酸性液体中，仍能完好无损；硬度无比却能像液体那样流动。这就是金属玻璃，一种前途不可限量的新型材料。

　　在人们的概念里，金属与玻璃是两种无论是外观还是性质都截然不同的材料，所以“金属玻璃”这个名字听上去就有些不可思议。还是让我们先进入金属和玻璃两类材料的内部结构作一番探究吧。

　　一般来说，现有固体材料可分为晶态和非晶态两大类。金属是典型的晶态材料，它们由许多晶粒组成，在晶粒内部，原子呈规则排列（但在晶粒间结合处的原子则排列无序）。液态金属冷却变成固态金属的过程中有确定的凝固点，达到这一凝固点时，晶体结构便形成了。玻璃则是典型的非晶态材料，内部原子呈无序排列（但在很小的范围内观察，还是有一定的规律性）。玻璃从液态到固态是连续变动的，没有固定的凝固点。

　　从上面可以看出，非晶态结构是整体上无序，但在很小的尺寸范围内存在着有序性，而晶态结构是整体上有序，但在很小的尺寸范围内也存在着无序性。所以两者之间也有共同特点。而物质在不同条件下，既可形成晶体结构，也可形成非晶体结构。比如，金属液体在高速冷却条件下可以得到非晶态金属；而玻璃经过适当处理，也可形成晶态玻璃。

　　1960年，美国科学家杜威兹首先发现某些液态贵金属合金（如金硅合金）在冷却速度非常快的情况下，其内部的原子还来不及排好位置，尚处于杂乱无章的状态时，便凝固了，成为非晶态金属（合金）。这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，故称为“金属玻璃”。

　　金属玻璃不寻常的结构决定了其特性。晶态金属或合金中，原子虽然排列得很整齐，但当晶体内有缺陷时，该金属或合金就容易断裂，好比搭积木一样，抽掉中间一块，一般就会倒塌。而金属玻璃，原子排列杂乱无章，好比不规则形状的石头堆成的高台，挖掉一两块，也无关大局。因此金属玻璃的断裂强度可以比钢大3倍。

　　金属玻璃由于不存在晶粒边界，排列紧密，因此它的硬度更大，即使遭到外力重击，原子也很容易回复原位，同时还具有很强的抗腐蚀能力。也正是由于没有晶粒的体积限制，金属玻璃很容易被制成纳米级的微型器件。

　　金属玻璃最令人感兴趣的是它的可塑性。在一定的温度下可以像泥巴一样，“捏”成任意形状，但完全冷却后又变得非常坚硬。虽然从严格意义上来说，金属玻璃并不是液体，但是由于它没有固定的外形，可以像液体那样流动，有时候也称之为“液态金属”。电影《终结者2》中的那个可怕的液态金属机器人，想必还令人记忆犹新。它可以变成任意形状，可以从狭小的缝隙间钻过，正是体现了金属玻璃的神奇之处。

　　把金属（或合金）在高温下熔融后，通过一个喷嘴喷到高速旋转的光滑钢质辊面上，使其急剧冷却（接近每秒钟100万摄氏度）就有可能变成金属玻璃。因为一般金属单质极难生成非晶态结构，所以已制得的在室温下稳定存在的金属玻璃都是两三种或更多种元素的形成的合金。

　　一开始，这种金属玻璃大都是很薄的带状材料，应用受到限制。于是，科学家们开始寻找生产“块状金属玻璃”的方法。20世纪90年代初期，杜威兹的学生约翰逊终于研制出一种合金，并创建了液态金属技术公司。这种被命名为Vitreloy的合金中含有锆、钛、铜、镍及铍等金属原子，锻造温度仅在400℃左右，而锻造钢需要达到1000℃的高温，这使得它有可能成为一种理想的制造用材。

　　2004年，美国橡树岭国家实验室的研究人员研制出新一代金属玻璃，以50％的铁，加上钼、钇、锰、碳、硼、铬和钴等元素。其突破在于，钇的加入使材料形成非晶态能力大大增强，因而合金材料的冷却速度放慢了许多。而且材料的尺寸比过去大，直径达12毫米，从而开拓了金属玻璃的应用前景。

　　【责任编辑】庞云