在纳米尺度上解开金属玻璃的奥秘

几个世纪以来，冶金学家对金属如何变形或对外部应力做出反应的问题进行了广泛的研究。当涉及到传统金属——原子排列整齐的结晶金属——这个过程已经被很好地理解了。但对于金属玻璃和其他非晶金属的变形，简单的答案一直难以捉摸，尤其是当涉及到事物如何在纳米级工作时

在一项新的研究中，Jan Schroers教授研究了这些金属在非常小的尺寸下如何表现的物理怪癖——这些见解可能会带来制造金属玻璃的新方法。研究结果发表在《自然通讯》上

具有金属强度但具有塑料柔韧性的材料，金属玻璃正被开发用于广泛的应用：航空航天、太空、机器人、消费电子、体育用品和生物医学用途

这些材料的特性归功于其独特的原子结构：当金属玻璃从液体冷却成固体时，它们的原子会随机排列，不会像传统金属那样结晶。但防止原子结晶是很棘手的，任何对其工作原理的深入了解都可能大大有助于提高金属玻璃的生产效率

“为了推进非晶金属的制造和使用，需要对其尺寸和温度相关的变形有一个基本而完整的了解，”该研究的作者写道

在过去的几十年里，人们已经确定，在宏观尺度上，原子在允许流动的温度下变形时会集体移动

“它们以一种集体的方式变形，几乎像蜂蜜一样，”机械工程和材料科学的Robert Higgin教授Schroers说。“你可以看到所有这些原子都在一起移动。”

但当纳米尺寸的样品变形时会发生什么？施罗德实验室决定使用软态的锆铜和其他金属玻璃样品来找出答案

Schroers说：“我实验室的研究生Naija Liu创造了越来越小的样本，在某个时候，他可以证明它们不再变形了。”。在100纳米或更小的样本量下，情况开始偏离标准规则

他们发现，在这种尺寸下，如果原子继续集体移动，样品的化学成分永远不会改变。相反，原子单独移动，在某个时刻，金属开始迅速变形

“所以，如果你变得越来越小，那么原子就不再流动。它们所做的是在表面上单独移动。”

这很重要，因为众所周知，原子在晶体材料表面移动得更快。因此，样本越小，材料在表面上或靠近表面的比例就越大。为了变形，原子通过使用这样一个快速的表面路径来获得额外的距离，因为它允许一般更快的变形。这是对物理学领域的一个见解，该领域仍有许多悬而未决的问题

Schroers说：“我们基本上了解晶体的一切，也基本上了解气体的一切。”。“但在科学界，我们对液态并不了解。事物移动得太快，因此观测方法受到了挑战，由于液体中的顺序是非周期性的，我们无法将问题缩小到一个更小的单位。”

Schroers的实验室目前专注于哪种合金最有希望通过这种方法制造金属玻璃。Schroers说：“合金应该包括相似的元素，但不能太相似，否则它们生长的模板就无法形成玻璃。”

Schroers说，除了他们新发现的科学影响外，这项研究在技术层面上也具有重要意义。这些发现为研究人员提供了一种缓慢生长亚稳材料的新方法，而不是目前通过快速冷却避免结晶的技术。这些材料包括金属玻璃，甚至其他以前用其他技术无法制造的材料