近日，一個歐洲研究團(tuán)隊利用歐洲同步加速器的X射線研究了金屬玻璃的形成過程，從微觀角度揭示了合金從液體到固體的“玻璃化轉(zhuǎn)變”過程。這一認(rèn)識上的飛躍將給世界金屬玻璃及其他玻璃材料研究帶來重要影響。
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固，又像塑料一樣具有彈性。自1960年問世以來，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。過去的幾十年中，了解金屬玻璃的形成方式一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。類似研究在10多年前曾由于技術(shù)原因失敗過。
最近，由德國薩爾大學(xué)材料學(xué)家伊莎貝拉·加利諾博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊在這方面取得重大進(jìn)展。加利諾團(tuán)隊與西班牙的沙維爾·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)）這一過程。他們用了新的“快速量熱儀”研究冷凍過程本身，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，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，但這種一對一的關(guān)聯(lián)并不完全正確。因為合金熔體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。這種集體流動意味著在這個時間點仍然存在遷移率，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，液體才最終固化成玻璃。
研究人員對“玻璃化轉(zhuǎn)變”這一關(guān)鍵過程的認(rèn)識，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。
