本文來(lái)自微信公眾號(hào) ：科學(xué)大院（ID：kexuedayuan）
一款液態(tài)金屬制作的吉他已經(jīng)悄然問(wèn)世，世界上第一款液態(tài)金屬智能手機(jī)也早已進(jìn)入市場(chǎng)。那么，液態(tài)金屬到底是什么？它和我們今天的主角玻璃又有怎樣的關(guān)系呢？
玻璃，是日常生活中隨處可見的東西，它四四方方，質(zhì)地堅(jiān)硬，用力一敲就會(huì)碎掉，擁有典型固態(tài)的特征。但當(dāng)我們把玻璃敲碎，把它的粉末拿到顯微鏡下觀察，卻會(huì)發(fā)現(xiàn)它的分子排列混亂無(wú)序，相比于金屬、陶瓷、冰塊這些分子排列整齊有序的固態(tài)而言，玻璃更像是液態(tài)。其實(shí)，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，玻璃是玻璃態(tài)。
玻璃態(tài)：溫度驟降背后的秘密
當(dāng)高溫液體冷卻到熔點(diǎn)的時(shí)，液體就會(huì)開始凝固，逐漸形成固體。凝固是液體中無(wú)序排列的分子逐漸過(guò)渡為整齊排列的狀態(tài)的過(guò)程，就好像在操場(chǎng)上自由活動(dòng)的學(xué)生，在聽到老師喊集合的命令后，陸陸續(xù)續(xù)地排成一個(gè)個(gè)整齊的隊(duì)伍一樣。這種分子整齊堆積在一起的狀態(tài)叫做晶態(tài)，處于晶態(tài)的物質(zhì)叫做晶體。
那液體冷卻一定會(huì)得到晶體么？當(dāng)然不是。若液體冷卻到了低于熔點(diǎn)溫度卻仍然不結(jié)晶，這時(shí)我們就說(shuō)這種液體“過(guò)冷”了。如果你想親身見識(shí)一下過(guò)冷液體，不妨嘗試一個(gè)有趣的小實(shí)驗(yàn)：
首先準(zhǔn)備一瓶未開封過(guò)的蒸餾水，然后小心翼翼地把它放進(jìn)冰箱的急凍室里，注意整個(gè)過(guò)程不能有劇烈的震蕩；另外再準(zhǔn)備同樣大小的瓶子，裝滿自來(lái)水，同時(shí)放進(jìn)急凍室內(nèi)急凍；幾個(gè)小時(shí)后，打開冰箱門，發(fā)現(xiàn)自來(lái)水已經(jīng)結(jié)冰了，蒸餾水依然是液體。這瓶未結(jié)冰的蒸餾水就是過(guò)冷液體。
這是為什么？液體在冷卻過(guò)程需要有結(jié)晶“中心”才能結(jié)晶，自來(lái)水雖然經(jīng)過(guò)過(guò)濾凈化，但是依然會(huì)含有微量雜質(zhì)，這些雜質(zhì)形成了自來(lái)水結(jié)晶的“中心”。而蒸餾水是完全純凈的水，沒有任何雜質(zhì)，在冷卻到0℃后，水分子沒有依靠的“中心”，所以不會(huì)結(jié)冰，而是形成過(guò)冷水。但是只要你往里面投入一粒鹽粒，過(guò)冷水就會(huì)以鹽粒為中心開始結(jié)冰，最終全部形成冰塊。
過(guò)冷液體很不穩(wěn)定，如果在低溫下放置時(shí)間長(zhǎng)了，它也會(huì)自動(dòng)地慢慢地變成冰塊。但是這并不是我們想要得到的狀態(tài)，為了防止過(guò)冷液體凝固，我們繼續(xù)降低溫度，當(dāng)溫度降低到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，液體分子行動(dòng)突然變得非常遲緩，液體的粘度劇烈增大，流動(dòng)性也大大降低，從宏觀上看，物體表現(xiàn)得就和固體一模一樣，這時(shí)候的物質(zhì)狀態(tài)就是玻璃態(tài)。
水的粘度大概是~1cP（厘帕），食用油是~65cP，酸奶是~150cP，洗滌劑是~1500cP，粘度越大的流體，它的流動(dòng)能力就越差。從這個(gè)角度理解，我們可以認(rèn)為玻璃態(tài)的物質(zhì)是粘度非常大的液體，大到它們甚至不會(huì)流動(dòng)的程度。玻璃就是玻璃熔體經(jīng)過(guò)過(guò)冷，然后再進(jìn)行快速冷卻得到的物體。
玻璃可以是任何物質(zhì)
過(guò)冷液體性質(zhì)發(fā)生突變形成玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，叫做玻璃化轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
相信大部分人在初中時(shí)都做過(guò)固體熔化的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)老師讓學(xué)生分別加熱海波和石蠟兩種物質(zhì)，觀察并記錄兩者的溫度曲線和熔化過(guò)程的形態(tài)。海波是一種晶體，它熔化是從部分固體開始的，熔化時(shí)溫度保持不變，并且會(huì)出現(xiàn)固液兩相共存的現(xiàn)象，直到所有固體熔化成液體溫度才會(huì)繼續(xù)上升；而石蠟熔化過(guò)程中溫度一直上升，升溫過(guò)程會(huì)整體一起從固體變成軟乎乎、黏糊糊的東西，最后再變?yōu)槌吻宓囊后w，沒有固定的熔點(diǎn)。
現(xiàn)在我們知道了，石蠟是一種玻璃態(tài)物質(zhì)，加熱時(shí)與其說(shuō)它熔化了，不如說(shuō)它“轉(zhuǎn)變”了，而且轉(zhuǎn)變過(guò)程沒有確定的溫度，是一個(gè)溫度區(qū)間。從廣義上來(lái)說(shuō)，能夠通過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變成玻璃態(tài)的物質(zhì)可以籠統(tǒng)地稱為“玻璃”。
可以看出，玻璃化轉(zhuǎn)變與熔化有著非常大的差異。實(shí)際上，玻璃化轉(zhuǎn)變不屬于熱力學(xué)上的相變過(guò)程，無(wú)論是晶體熔化還是液體沸騰汽化，都需要吸收熱量保持相變時(shí)溫度不變，而玻璃化轉(zhuǎn)變不會(huì)吸收潛熱，變化時(shí)溫度也不會(huì)維持不變，它是力學(xué)狀態(tài)上的一種變化。對(duì)于玻璃化轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)，現(xiàn)在還不是十分清楚。玻璃態(tài)也不是熱力學(xué)上的一種狀態(tài)，因?yàn)榕c晶體、液體、氣體這些穩(wěn)定狀態(tài)相比，玻璃是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，就和過(guò)冷水一樣，它有自發(fā)向著晶態(tài)變化的傾向，但是這個(gè)自發(fā)趨勢(shì)需要越過(guò)一段能壘，因此過(guò)程十分緩慢，短時(shí)間內(nèi)難以觀察得到。
一些年代久遠(yuǎn)的老房子，它們的窗戶可能會(huì)變得不那么透明了，就是因?yàn)椴ＡЫY(jié)晶了。如果是石英玻璃，在結(jié)晶之后會(huì)形成石英。石英玻璃是二氧化硅的玻璃態(tài)，石英則是它的結(jié)晶態(tài)。如果你將玻璃加熱再緩慢冷卻，形成的也是石英而不是玻璃，所以自然狀態(tài)下很難觀察到玻璃的存在。
金屬玻璃：玻璃態(tài)應(yīng)用的黃金時(shí)代
玻璃態(tài)物質(zhì)雖然是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，在我們生活中卻扮演者非常重要的角色。用來(lái)鋪柏油馬路的瀝青，各種塑料制品，還有蠟燭、石蠟等常見的東西，都是玻璃態(tài)物質(zhì)。理論上，只要冷卻速度足夠快，讓冷卻過(guò)程材料來(lái)不及結(jié)晶，所有液體都可以形成玻璃，金屬也不例外。
金屬玻璃，顧名思義，就是處于玻璃態(tài)的金屬，也叫做非晶態(tài)金屬，商品名叫液態(tài)金屬。下面如果提到非晶金屬、非晶合金，指的都是金屬玻璃。像玻璃、瀝青、塑料這些材料，因?yàn)闃?gòu)成它們的分子很大，在降低溫度時(shí)粘度會(huì)迅速升高，容易形成玻璃態(tài)。但是金屬的構(gòu)成基本單元是原子，它們的移動(dòng)能力很強(qiáng)，通常情況下都是以晶體形式出現(xiàn)，如果要讓金屬形成玻璃態(tài)，就需要非常快的冷卻速率，普通的降溫手段難以達(dá)到，所以金屬玻璃的制備一直是困擾科學(xué)家們的難題。直到上世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了快速急冷法，金屬玻璃的研究才真正進(jìn)入了新時(shí)代。
那么金屬玻璃究竟有何魅力可以讓科學(xué)家們?nèi)绱酥阅兀?strong>金屬玻璃既是金屬也是玻璃，它兼具金屬和玻璃兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。首先，它比普通鋼材強(qiáng)度、硬度更高，屈服強(qiáng)度可達(dá)到1900MPa，比不銹鋼高得多；而韌性又比玻璃好，斷裂韌性高達(dá)55MPa·m-1/2，是玻璃的幾十倍；同時(shí)它彈性非常優(yōu)異，將它應(yīng)用在高爾夫球擊球頭時(shí)，能夠把99%的能量傳遞到球身上，用同樣的力度擊打，球可以飛行得更遠(yuǎn)。
目前，金屬玻璃已經(jīng)成功應(yīng)用在棒球、滑雪、滑冰等體育項(xiàng)目上。在軍事方面，高強(qiáng)、高韌的金屬玻璃不但可以用于制作防彈衣、裝甲，還可以用于制作反坦克的穿甲彈。
普通的金屬通常是多晶材料，我們可以理解為由一顆顆小的晶體所構(gòu)成的大晶體。這些小晶體叫做晶粒，晶粒與晶粒交界的界面稱為晶面。晶面處所含能量比較高，容易富集雜質(zhì)原子，比晶粒的內(nèi)部更加容易發(fā)生氧化和腐蝕。而金屬玻璃中的原子以無(wú)規(guī)則形態(tài)排列，沒有晶粒和晶界，這意味著它長(zhǎng)期泡在酸、堿、鹽水等環(huán)境下不容易被腐蝕，也就是說(shuō)不會(huì)那么容易“生銹”了，壽命也就更長(zhǎng)了。如果將它應(yīng)用在化工、海水等易腐蝕環(huán)境下，效果肯定棒棒的。
目前，已有部分非晶合金涂層成功地應(yīng)用在石油行業(yè)的鉆具、油氣輸送管道，電力行業(yè)的鍋爐、循環(huán)泵，以及軍事上輪船、艦艇等領(lǐng)域。另外，金屬玻璃相比于晶態(tài)金屬，原子排列比較疏松，密度小，而且耐磨擦性能優(yōu)異，用它制成手機(jī)外殼，可以使得手機(jī)更輕便、更結(jié)實(shí)、更耐磨損、更耐摔。
金屬玻璃最成熟最廣泛的應(yīng)用在于它的磁性方面。鐵、鈷、鎳基的金屬玻璃具有非常良好的軟磁性，是電機(jī)、變壓器、電感器、無(wú)線電頻率識(shí)別器等電力、電子產(chǎn)品的理想鐵芯材料。
最有意思的是，金屬玻璃在加熱情況下可以變成具有流動(dòng)性的粘稠液體，這樣我們可以像吹制玻璃儀器一樣，將金屬玻璃吹制成各種形狀的制品?？傊?，金屬玻璃具有許多優(yōu)異的特點(diǎn)，盡管現(xiàn)在大部分仍處于開發(fā)階段，但是前景十分誘人。
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