亚博_玻璃“玻璃心”碎了?实际上是“液态金属心”碎了

来源:亚博|首页 作者:网络 时间: 2019-04-01 14:46:18

作者:蔡东平易近

一款液态金属建造的吉他已悄然问世,世界上第一款液态金属智妙手机也早已进入市场。那末,液态金属究竟是甚么?它和我们今天的主角玻璃又有如何的关系呢?

2016年,美国液态金属公司与马丁吉他公司告竣了和谈,将推出一款液态金属合金制成的吉他配件,并用液态金属注塑机来制造。 (图片来历:Veer图库)

玻璃,是平常糊口中到处可见的工具,它四四方方,质地坚固,用力一敲就会碎失落,具有典型固态的特点。但当我们把玻璃敲碎,把它的粉末拿到显微镜下不雅察,却会发现它的份子摆列紊乱无序,比拟在金属、陶瓷、冰块这些份子摆列整洁有序的固态而言,玻璃更像是液态。其实,正确来讲,玻璃是玻璃态。

糊口中到处可见的玻璃 (图片来历:视觉中国)

玻璃态:温度骤降背后的奥秘

当高温液体冷却到熔点的时,液体就会最先凝固,逐步构成固体。凝固是液体中无序摆列的份子逐步过渡为整洁摆列的状况的进程,就似乎在操场上自由勾当的学生,在听到教员喊调集的号令后,陆陆续续地排成一个个整洁的步队一样。这类份子整洁聚积在一路的状况叫做晶态,处在晶态的物资叫做晶体。

那液体冷却必然会获得晶体么?固然不是。若液体冷却到了低在熔点温度却依然不结晶,这时候我们就说这类液体“过冷”了。假如你想切身见识一下过冷液体,无妨测验考试一个有趣的小尝试:

起首预备一瓶未开封过的蒸馏水,然后不寒而栗地把它放进冰箱的急冻室里,留意全部进程不克不及有猛烈的震动;别的再预备一样巨细的瓶子,装满自来水,同时放进急冻室内急冻;几个小时后,打开冰箱门,发现自来水已结冰了,蒸馏水仍然是液体。这瓶未结冰的蒸馏水就是过冷液体。

这是为何?液体在冷却进程需要有结晶“中间”才能结晶,自来水固然颠末过滤净化,可是仍然会含有微量杂质,这些杂质构成了自来水结晶的“中间”。而蒸馏水是完全纯净的水,没有任何杂质,在冷却到0℃后,水份子没有依托的“中间”,所以不会结冰,而是构成过冷水。可是只要你往里面投入一粒盐粒,过冷水就会以盐粒为中间最先结冰,终究全数构成冰块。

过冷水小尝试(图片来历:https://www.iqiyi.com/w_19rwgabn19.html)

过冷液体很不不变,假如在低温下放置时候长了,它也会主动地渐渐地酿成冰块。可是这其实不是我们想要获得的状况,为了避免过冷液体凝固,我们继续下降温度,当温度下降到某个临界点时,液体份子步履忽然变得很是缓慢,液体的粘度猛烈增年夜,活动性也年夜年夜下降,从宏不雅上看,物体表示得就和固体如出一辙,这时候候的物资状况就是玻璃态。

水的粘度大要是~1cP(厘帕),食用油是~65cP,酸奶是~150cP,洗涤剂是~1500cP,粘度越年夜的流体,它的活动能力就越差。从这个角度理解,我们可以认为玻璃态的物资是粘度很是年夜的液体,年夜到它们乃至不会活动的水平。玻璃就是玻璃熔体颠末过冷,然后再进行快速冷却获得的物体。

液体冷却进程可能构成晶体也可能构成玻璃态(图片来历:作者绘制)

玻璃可所以任何物资

过冷液体性质产生突变构成玻璃态的改变进程,叫做玻璃化改变,对应的温度称为玻璃化改变温度。

相信年夜部门人在初中时都做过固体融化的尝试。那时教员让学生别离加热海波和白腊两种物资,不雅察并记实二者的温度曲线和融化进程的形态。海波是一种晶体,它融化是从部门固体最先的,融化时温度连结不变,而且会呈现固液两相共存的现象,直到所有固体融化成液体温度才会继续上升;而白腊融化进程中温度一向上升,升温进程会整体一路从固体酿成软乎乎、粘糊糊的工具,最后再变成澄清的液体,没有固定的熔点。

此刻我们知道了,白腊是一种玻璃态物资,加热时与其说它融化了,不如说它“改变”了,并且改变进程没有肯定的温度,是一个温度区间。从广义上来讲,可以或许经由过程玻璃化改变成玻璃态的物资可以笼统地称为“玻璃”。

海波的融化曲线和白腊的玻璃化改变曲线(图片来历:http://cooco.net.cn/testdetail/198474/)

可以看出,玻璃化改变与融化有着很是年夜的差别。现实上,玻璃化改变不属在热力学上的相变进程,不管是晶体融化仍是液体沸腾汽化,都需要接收热量连结相变时温度不变,而玻璃化改变不会接收潜热,转变时温度也不会保持不变,它是力学状况上的一种转变。对玻璃化改变的本色,此刻还不是十分清晰。玻璃态也不是热力学上的一种状况,由于与晶体、液体、气体这些不变状况比拟,玻璃是一种不不变的状况,就和过冷水一样,它有自觉向着晶态转变的偏向,可是这个自觉趋向需要超出一段能垒,是以进程十分迟缓,短时候内难以不雅察获得。

一些年月长远的老房子,它们的窗户可能会变得不那末透了然,就是由于玻璃结晶了。假如是石英玻璃,在结晶以后会构成石英。石英玻璃是二氧化硅的玻璃态,石英则是它的结晶态。假如你将玻璃加热再迟缓冷却,构成的也是石英而不是玻璃,所以天然状况下很难不雅察到玻璃的存在。

晶体的能量更低,所以玻璃态物资会自觉向晶态改变(图片来历:作者绘制)

金属玻璃:玻璃态利用的黄金时期

玻璃态物资固然是一种亚稳态物资,在我们糊口中却饰演者很是主要的脚色。用来铺柏油马路的沥青,各类塑料成品,还烛炬、白腊等常见的工具,都是玻璃态物资。理论上,只要冷却速度足够快,让冷却进程材料来不和结晶,所有液体都可以构成玻璃,金属也不破例。

金属玻璃,顾名思义,就是处在玻璃态的金属,也叫做非晶态金属,商品名叫液态金属。下面假如提到非晶金属、非晶合金,指的都是金属玻璃。像玻璃、沥青、塑料这些材料,由于组成它们的份子很年夜,在下降温度时粘度会敏捷升高,轻易构成玻璃态。可是金属的组成根基单位是原子,它们的移动能力很强,凡是环境下都是以晶体情势呈现,假如要让金属构成玻璃态,就需要很是快的冷却速度,通俗的降温手段难以到达,所以金属玻璃的制备一向是困扰科学家们的困难。直到上世纪60年月,美国科学家发现了快速急冷法,金属玻璃的研究才真正进入了新时期。

晶态金属和金属玻璃的原子摆列状况(图片来历:http://www.sohu.com/a/229957634_99934330)

那末金属玻璃事实有何魅力可让科学家们如斯沉迷呢?金属玻璃既是金属也是玻璃,它兼具金属和玻璃两种材料的长处。起首,它比通俗钢材强度、硬度更高,屈就强度可到达1900MPa,是不锈钢的两倍还多;而韧性又比玻璃好,断裂韧性高达55MPa·m-1/2,是玻璃的几十倍;同时它弹性很是优良,将它利用在高尔夫球击球头时,可以或许把990%的能量传递到球身上,用一样的力度击打,球可以飞翔得更远。

高尔夫球杆的击球头(图片来历:视觉中国)

今朝,金属玻璃已成功利用在棒球、滑雪、溜冰等体育项目上。在军事方面,高强、高韧的金属玻璃不单可以用在建造防弹衣、装甲,还可以用在建造反坦克的穿甲弹。

超人百毒不侵,多是穿了金属玻璃的防弹衣 (图片来历:视觉中国)

通俗的金属凡是是多晶材料,我们可以理解为由一颗颗小的晶体所组成的年夜晶体。这些小晶体叫做晶粒,晶粒与晶粒交壤的界面称为晶面。晶面地方含能量比力高,轻易富集杂质原子,比晶粒的内部加倍轻易产生氧化和侵蚀。而金属玻璃中的原子以无法则形态摆列,没有晶粒和晶界,这意味着它持久泡在酸、碱、盐水等情况下不轻易被侵蚀,也就是说不会那末轻易“生锈”了,寿命也就更长了。假如将它利用在化工、海水等易侵蚀情况下,结果必定棒棒的。

今朝,已有部门非晶合金涂层成功地利用在石油行业的钻具、油气输送管道,电力行业的汽锅、轮回泵,和军事上汽船、舰艇等范畴。别的,金属玻璃比拟在晶态金属,原子摆列比力松散,密度小,并且耐摩擦机能优良,用它制成手机外壳,可使到手机更简便、更坚固、更耐磨损、更耐摔。

非晶合金涂层利用在海洋舰艇的船面、要害零部件上(图片来历:http://www.vccoo.com/v/1abc3b)

全球首款液态金属手机(图片来历:https://mobile.pconline.com.cn/666/6666623.html)

金属玻璃最成熟最普遍的利用在在它的磁性方面。铁、钴、镍基的金属玻璃具有很是杰出的软磁性,是机电、变压器、电感器、无线电频率辨认器等电力、电子产物的抱负铁芯材料。

最成心思的是,金属玻璃在加热忱况下可以酿成具有活动性的黏稠液体,如许我们可以像吹制玻璃仪器一样,将金属玻璃吹制成各类外形的成品。总之,金属玻璃具有很多优良的特点,虽然此刻年夜部门仍处在开辟阶段,可是前景十分诱人。


作者单元:中国科学院宁波材料手艺与工程研究所

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