作者：中科院物理所新媒體中心

審核：羅會仟 中國科學院物理研究所 研究員

如果一個人有敏感脆弱的心理狀態，

對別人一句隨口的評價特別在意，非常敏感，

對自己所犯過的錯誤念念不忘，用過去的經歷反復折磨自己，

心靈像玻璃一樣易碎，

就會被稱作“玻璃心”

所以對于人來說，要少一些玻璃心

變得堅強和堅韌

但是如果換一種思路，我們周圍常用的金屬強度高，硬度高，韌性高

它們是很多構件的“主心骨”，是生活中最常見的物質之一

如果連非常強的金屬們都變得玻璃心了，生活會變得怎樣呢？

在思考這個話題前，首先要弄清楚一個問題，金屬怎么變得玻璃心？

宏觀的固體材料是由大量的微觀粒子（原子、分子或者離子）凝聚在一起形成的，我們就按照固體材料中微觀粒子的排列方式將材料分成兩大類：粒子排列十分規則的晶態物質和粒子排列不具有長程有序性的非晶物質（也就是常說的玻璃態物質）。我們日常見到的材料如塑料、玻璃、瀝青、琥珀、橡膠等都是玻璃態固體，也就是說這些材料的粒子排布沒有周期性。

晶體、玻璃態、氣態物質的原子排布示意圖：晶體的原子排布具有長程有序和周期特征，而玻璃態的原子排布就像氣體一樣呈現出沒有周期性的隨意堆垛的特點。下圖為科學家提出的表現在化學鍵的無規排列的原子網絡結構模型，這種模型主要適用于氧化物玻璃。對于非晶的真實原子排布一直是凝聚態物理前沿的最具挑戰問題。圖源：[1][2]

隨著現代冶金技術的發展，也就是把熱合金熔體快速冷卻技術的不斷成熟，這項技術可以在室溫下保留合金的非平衡態結構，讓金屬熔體中無序排布的原子來不及擴散運動到平衡態位置，最終得到的固體原子構型也呈現出無序排布的特點。這種超高冷卻速度得到的合金就是具有玻璃一樣原子無序排布的非晶合金，也成為金屬玻璃。

金屬玻璃和晶態金屬的高分辨透射電子顯微鏡照片對比：可以看出金屬玻璃原子無序排布，而晶態金屬粒子排列十分規則。圖源：[2]

這種方法得到的金屬玻璃在外觀上具有金屬一樣的光澤，看不出和常規的金屬有明顯的區別，那么這一類具有“玻璃心”的金屬材料在現實生活中會怎樣呢？

利用快速急速冷卻技術得到的大塊非晶合金的照片。圖源：[3][4]

會變得更強更優

傳統的晶體金屬的變形是依靠里面周期性排列的原子中產生缺陷來實現的，而金屬玻璃由于沒有晶體中的變形缺陷，因而具有很高的強度和硬度。所以高強度是金屬玻璃最顯著和獨特的力學特征之一。各種合金成分玻璃化之后都顯著高于其晶態合金，并且鈷基塊體金屬玻璃的強度創造了現今金屬材料強度的最高紀錄，它的強度是普通鋼材的十五倍。那生活中常用的鋼鐵來說，鐵基金屬玻璃的斷裂強度是一般結構鋼的數倍，是一種高強金屬材料。

直徑為1毫米的圓柱狀鐵基金屬玻璃，以及壓縮實驗后的形貌。圖源：[5]

由于金屬玻璃具有傳統不銹鋼所無法達到的強度和耐磨性，以及液體一樣的加工精度，一些鋯基和鈦基等成分的非晶合金已經用在了在手術刀片上，可以達到陶瓷級別的鋒利。

左邊為鍍有鋯基非晶合金的鋼制手術刀片，右邊為一片整體的鋯基金屬玻璃手術刀片。圖源：[6]

當外界的載荷速率很高時，金屬玻璃的動態韌性急劇升高。在這種情況下，一些特定成分的金屬玻璃具有高強、高韌和侵徹穿深性能，從而來制造反坦克的動能穿甲彈的穿甲彈。也就是說，金屬玻璃彈芯的穿甲彈非晶合金在高速撞擊時，金屬玻璃的高韌性和侵徹穿深性能使得其穿甲性更好，是第三代穿甲和破甲反坦克導彈的備選材料。

左上圖是第三代金屬玻璃彈芯穿甲彈材料的掃描電子顯微鏡圖片，左下圖是對應的模型，藍色的圓柱長條代表鎢絲，中間的紫色填充物代表鋯基金屬玻璃。圖源：[7]

近來發現的由銥、鎳、鉭三種元素組成的金屬玻璃，由于金屬玻璃獨特的無序結構特點，具備極強的耐蝕和抗氧化能力。這種金屬玻璃可在王水中浸泡數月而不被腐蝕，而且在常規金屬難以耐受的高溫環境中也難以被氧化。利用這類新型金屬玻璃制成的零部件不僅能在高溫條件下服役，而且能在非常惡劣環境中使用，所以可以應用到普通金屬難以觸及的領域。

左圖是銥鎳鉭金屬玻璃的圓柱形棒材，右圖是銥鎳鉭金屬玻璃做成的微型齒輪，這些構件可以在極其惡劣的環境中應用。圖源：[8]

會變得更五彩繽紛

我們對物品顏色的需要是多元多樣的，在商品生產中對于顏色的調節和控制具有重要意義。金屬合金表面著色技術主要利用電化學沉積來進行，這種工藝通過改變表面氧化層厚度所決定的可見光干涉來使得金屬表面呈現不同的顏色。但是對于這種工藝來說，因為電化學沉積的氧化層的厚度在產品的使用過程中是幾乎不會改變的，所以這項技術所實現的產品顏色在使用過程中也是固定的，也就是說一次加工只能實現一種顏色。

但是最近研究表明，有一種由稀土元素鈰作為主要組元的金屬玻璃。這種金屬玻璃由于鈰元素具有一定的化學活性，所以在室溫下有高的氧化速率，再加上金屬玻璃中均勻的原子種類分布，使得非晶合金的表面氧化層厚度均勻。通過一定的合金化方法，研究人員實現了金屬材料在自然條件下的隨時間變色。

通過不同的合金化控制得到的彩色金屬玻璃的光學照片。圖源：[9]

彩色金屬玻璃顏色隨時間變化規律，在一百多天的時間內，金屬玻璃的外觀變換了多種顏色。圖源：[9]

會變得更平易近人

金屬玻璃因為其原子排布無序，沒有晶體材料周期性原子晶格的限制，會表現出非常高的彈性極限。金屬玻璃薄膜在仿生學中有重要應用，比如一種金屬玻璃皮膚是通過將鋯基金屬玻璃薄膜直接生長在柔性塑料襯底上得到的。金屬玻璃皮膚柔性好，很容易彎曲超過180度，這是常規金屬難以實現的性能。通過改變金屬玻璃薄膜的厚度，金屬玻璃皮膚人眼視覺上可以變“透明”。

左圖是柔性優異的金屬玻璃皮膚的照片，很容易彎曲超過180度；右圖是通過調節金屬玻璃皮膚的厚度得到的“透明”金屬玻璃皮膚。圖源：[10]

金屬玻璃皮膚同時保留了金屬材料高電導率的特點，而且電阻與應變之間有完美的線性關系，這種線性關系穩定性非常好。上面的這些特點使得金屬玻璃皮膚可以用來靈敏地監測手指彎曲程度，在醫學和仿生學等方向有很大應用前景。

金屬玻璃皮膚可以用來靈敏地監測手指彎曲程度的示意圖，利用貼在指關節上的金屬玻璃皮膚可以在手指的不同彎曲程度得到不同的電信號。圖源：[10]

看完變得“玻璃心”金屬——金屬玻璃，是不是感覺一種造福人類的先進材料正在慢慢地發展成熟呢？金屬玻璃不僅是眾多非晶材料中的新成員，也是一種新型金屬材料。這種合金被稱之為金屬玻璃，但不是因為它像玻璃那樣脆而透明，而是因為組成這種金屬的內部原子排列像玻璃一樣是長程無序的，是一種玻璃態結構。本文介紹的金屬玻璃的應用僅僅是冰山一角，金屬玻璃重要的價值正在被科研工作者逐漸挖掘，期待將來金屬玻璃帶給我們更多驚喜吧！

參考文獻

[1] Small Struct. 2021, 2, 2000057

[2] Progress in Physics, 2013, 33(5): 177-351.

[3] NPG Asia Mater. 3, 82–90 (2011)

[4] Mater. Sci. Eng. R,2004, 44: 45

[5] Appl. Phys. Lett. 105, 161901 (2014)

[6] Acta Biomaterialia 36 (2016) 1–20

[7] Materials and Design 93 (2016) 485–493

[8] Nature, 2019, 569(7754): 99 104.

[9] Journal of Alloys and Compounds 901 (2022) 163674

[10] Appl. Phys. Lett. 111, 121906 (2017)

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