神奇的“金属玻璃”

吴再丰

在好莱坞电影《终结者》中，由金属制成的变形机器人T-3000能随意变换成各种形状，甚至可以从门下的小缝隙中飞走。现在对于人类来说，这将不再是科幻片中的幻想。一种新型的“终结者”材料面世，这就是“金属玻璃”。目前科学家研制的金属玻璃，强度是工业用钢铁的3倍，柔韧性是钢铁的10倍。

金属玻璃是一种特殊的合金材料。通常金属原子都是有序排列的晶体结构，而在金属玻璃中，原子的排列如同液体或者玻璃一样杂乱无章。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，可以像液体一样随意流动，所以人们喜欢形象地称之为“液态金属”。

金属玻璃的问世打破了建立在金属晶体结构基础上的传统金属学研究方法，它的许多独特而且宝贵的性能使其在实际应用中初露锋芒。

金属保持玻璃状

有专家认为“金属玻璃”是继钢铁、塑料之后，给产业界带来的又一次革命性的变革。长期以来，人们总认为这种非晶态的金属玻璃是不可能制成的。我们在日常见到的冰，是水分子形成六棱柱体的结构。流动是水分子自由活动的一种状态，一旦变成固体，则水分子就被井然有序地排列固定。即使金属也一样，在高温熔融状态下，原子或分子可随意活动。但是，一旦冷却变成固体则呈晶体结构。

那么，玻璃又会是怎样呢?我们家里通常用于窗户或杯子的玻璃被称之“氧化物玻璃”，其主要成分是二氧化硅。氧化物玻璃从液态变为固态时，分子也不会组成有序的结晶结构，而是在随机排列下固化，即保持液体那种状态。由于高温熔融状态下的玻璃呈液体结构，所以几百年前在欧洲烧制的玻璃是下部比上部厚。此外，玻璃变成固体的过程中，它还会形成“过冷却液体”的状态，即变成糖稀那样的状态。例如在玻璃车间把熔融的玻璃吹制成器皿时，此时的玻璃就是处在“过冷却液体”的状态。

何谓玻璃的“过冷却液体”状态呢?即如果玻璃从液态冷却成固态时，当温度降到比其固化时的温度还要低时，玻璃仍然呈现液态的一种现象。

超骤冷非昌合金

通常物质在过冷状态下极为不稳定，只能保持几秒钟。但是，玻璃却能够以过冷状态长时间存在。为此专家将具有过冷状态性质、原子随机排列的非晶体结构的物质称为“玻璃”。

通常金属可以说无法以非晶态固化，而且固态金属必定是结晶结构，但是上个世纪60年代美国加州大学的研究小组发现，只要条件具备，金属也可像玻璃那样非晶结构固化。他们使用一种特定的合金，通过1秒内将其冷却100万摄氏度的方法成功地制造出具有原子随机排列的金属。该方法是将合金在液体状态下超速骤冷，加以固化。铜或铁等普通金属，从过冷液体到凝固结晶的时间是在0.00001秒内，而加州大学使用的合金结晶时间是0.0001秒左右。在此期间骤冷，成功将金属在随机结构下凝聚成固体。但是，它不能像过冷却液体那样能够长期存在，所以不算是玻璃。

为了在1秒内骤冷100万摄氏度，只能制造厚度仅为20微米的箔片。如果箔片不是很薄，温度就不均匀，仍然会结晶。此外，骤冷需要特殊设备，而且只能制造箔片，应用范围十分有限。

真正的“金属玻璃”诞生

原子随机排列的非晶金属具有强度高、韧性好和耐腐蚀等特点。如果除了薄的箔片外还能够制造出各种形状的非晶金属，那么，它的应用就会十分广泛。

目前，科学家在不使用超骤冷的条件下，已经能够以每秒1℃的冷却速度成功地制造出各种开关的非晶金属，并且只要很好地搭配金属元素，就能让这些非晶金属以过冷却状态比较稳定地存在。由于科学家制造成功的非晶金属，其原子具有随机的非晶结构，而且能够以过冷却液体的状态存在，故称之为“金属玻璃”。

卓越性能露锋芒

实践表明制造金属玻璃的材料应具有以下的共同特征：金属玻璃具有三种以上的元素，而且它们互不相斥，具有容易结合的性质。科学家认为，迄今为止被发现的金属玻璃皆满足这些条件，但是并非所有满足这些条件的金属都能制造出金属玻璃。

金属玻璃具有哪些卓越特点呢?金属玻璃的强度高、韧性好、耐腐蚀，具有迄今为止金属所没有的各种特性。我们知道，通常金属的结晶中存在“缺陷：即金属结晶体存在的原子脱落部分或错动部分。这种缺陷使原子可以挪动，所以施加一定的力，可使金属弯曲也能复原，当然力量过大仍可能使它折断。

总之，与结晶金属相比，金属玻璃没有结晶结构，原子在一点点的间隙中有活动余地，因此它比普通金属的弯曲性、复原性更好。科学家还发现金属玻璃比结晶金属的弹性极限提高了3倍。另外，在耐腐蚀性上，由于结晶金属存在“缺陷”，容易给腐蚀的发生提供缝隙，而金属玻璃的表面整齐致密，不给腐蚀提供任何机会，所以其耐腐蚀性更强。如果再使用一种以上的耐腐金属作为金属玻璃的成分，那么这种金属玻璃的耐腐蚀性就会大大加强。

美国利用金属玻璃出色的弹性进行防弹车身和战舰的研制。日本考虑到这种材料的成本昂贵，目前还没考虑用于普通轿车的计划，但是他们正在研究用于汽车刹车器等压力传感器上。压力传感器是通过金属的应变量来进行工作的。科学家介绍，与原来使用的材料相比，使用金属玻璃可以将灵敏度提高3.8倍。将来，一旦燃料电池汽车普及，它将成为不可或缺的元件。因为在燃料电池汽车中，为了检测氢气或空气的压力，耐用性强、灵敏度高的压力传感器将必不可少。

纳米领域显神威

金属玻璃还将在纳米领域内大显威力。金属玻璃能够像玻璃那样自由变形加工。过去人们把熔融的结晶金属浇铸到模子里，也能制造出与模子形状一样的产品。但是结晶金属在冷却凝聚成结晶时，因有结晶的错位等缺陷，如果在显微镜下观察，表面会呈现凹凸不平的状态。为此，从纳米尺度来看，我们是无法正确复制这个产品的。如果我们把金属玻璃照旧以过冷却液体浇铸到模子里凝固。就能够精确地复制产品。

金属玻璃能够正确复制100纳米宽的沟槽，结晶金属是无法达到的。另外以照片为基础通过激光加工造型，将照片复制在金属玻璃表面也是可能的。

迄今为止能够自由加工的是塑料等高分子材料。现在，金属玻璃除了与塑料一样可自由地加工外，强度还高，这无疑将使它成为代替塑料的材料。科学家们正在抓紧时间利用金属玻璃研制出更小的马达。例如小型的相机或内检镜，以及微型机器人等的驱动马达等。其中有一种“血管疏通器”，是安装在导管前的旋翼叶片，就是用金属玻璃制造的微型马达驱动，它可以除掉堵塞血管的血栓等。

金属玻璃还是一种优异的磁性材料，具有高饱和磁感应、低铁损等优点。如果用金属玻璃来制造收录机的磁头，可以避免磁头尖部的脱落现象，降低磁头与磁带摩擦发出的噪声，这将会给人们带来优美清晰的音质和理想的音响效果。另外，如果用金属玻璃来代替变压器中的硅钢片，可使变压器的空载损耗减少三分之二。照此推算，如果全中国家庭的变压器都采用金属玻璃铁芯，那么，每年全国可节约100亿千瓦时电能，约合50亿人民币。

现在实际制造出来的金属玻璃有1000种左右。但是如果合理组合各种金属元素，理论上可能有1万种以上的金属玻璃。由此看来，用金属玻璃开启的新金属文明前景灿烂。

责任编辑蒲晖