玻璃與金屬的完美合體

　　金屬玻璃，顧名思義，就是一種既有金屬特性，也有玻璃特性的新材料。上世紀50年代，這種材料被偶然發現，但卻被美國物理學家稱為“愚蠢的合金”。今天，金屬玻璃因其特性——強度是不銹鋼或鈦的兩倍，易塑性堪比塑料——正在受到越來越多的關注。

　　要想了解金屬玻璃，首先還是從玻璃講起。

　　我們生活在充斥著玻璃的世界，很多人都以為玻璃的廣泛應用是工業革命的產物，但事實上，玻璃是人類使用最古老、最廣泛的材料之一。

　　我們的遠古祖先——原始人，很早就在利用天然玻璃黑曜石的斷口，也就是我們常說的“玻璃碴”來宰殺動物、裁制獸皮衣服。玻璃材料對人類文明史產生了不容忽視的影響。正如陶瓷材料貫穿中華文明和文化一樣，自被發現以來，玻璃材料貫穿古希臘文明、羅馬文明、文藝復興、歐洲啟蒙運動、工業革命等歷史時期，直至當代。例如，因為平板玻璃材料的出現，才有了玻璃窗戶，才讓寒冷的北歐適于居住和文明化；有了玻璃，我們的前輩才能研究星體的運動，太陽系的構造，以及微生物的奧秘。不少學者認為，玻璃在東西方文化和文明的差異、分歧中扮演了致關重要的角色。

　　玻璃材料是人類歷史上最偶然的發明之一。3000多年前，一艘腓尼基人的商船，滿載著晶體礦物“天然蘇打”，航行在地中海沿岸的貝魯斯河上。由于海水落潮，商船擱淺了，于是船員們登上沙灘，把幾塊“天然蘇打”支起作為大鍋，在沙灘上做起飯來。他們撤退時發現鍋下面的沙地上有一些晶瑩明亮、閃閃發光的東西！這些閃亮的物體就是最早的人工玻璃。

　　金屬玻璃的發現也非常偶然。1959年，美國加州理工大學的Duwez在研究晶體結構和化合價極其不同的兩個元素能否形成固溶體時，偶然發現了這種新材料。他將高溫金—硅合金熔體噴射到高速旋轉的銅輥上，以每秒一百萬度的冷卻速度快速冷卻熔體，第一次制備了不透亮的玻璃。當時的一位物理學家看到這種材料時，曾嘲諷地說這是一種“愚蠢的合金”。

　　半個世紀以來，金屬玻璃已經從當初“愚蠢的合金”，發展成為今天航天、航空等高技術領域和高檔手表、手機等時尚品爭相選用的材料。

　　作為兼有玻璃、金屬，固體和液體特性的新型金屬材料，它是材料界很多紀錄的“保持者”——金屬玻璃是迄今為止最強的金屬材料和最軟的金屬材料之一，最強的鈷基金屬玻璃的強度達到創紀錄的6.0GPa，最軟的鍶基金屬玻璃的強度低至300MPa；金屬玻璃是迄今為止發現的最強的穿甲材料，最容易加工成型的金屬材料，最耐蝕的金屬材料，最理想的微、納米加工材料之一；金屬玻璃還具有遺傳、記憶、軟磁、大磁熵等獨特性能。

　　金屬玻璃不但是性能獨特的新材料，同時也是研究材料科學和凝聚態物理中一些重要問題的模型體系。近十幾年來，金屬玻璃材料的發展和應用，把玻璃結構、物理性能及相關的物理問題的研究推向凝聚態物理和材料科學領域的前沿。


　　“愚蠢合金”大放異彩

　　含有金屬元素不同，金屬玻璃也有不同的特性。含有鐵元素的金屬玻璃可以作磁性材料或作催化劑，含有鈷元素的金屬玻璃可以作為磁敏感材料，含有鈦、鋯元素的金屬玻璃具有高彈性和高強度，而含有稀土元素的金屬玻璃則有很多獨特的功能。

　　為什么金屬玻璃會有這么多獨特的性質呢？簡單地說，這是由材料的原子排列結構決定的。玻璃內部的原子或分子的排列，呈現雜亂無章的高度無序分布狀態；而鋼鐵等晶態固體的原子排序則很整齊。打個比方，鋼鐵等晶態固體的原子排序好比列隊整齊的閱兵式，玻璃的原子排序就像是大街上熙熙攘攘的人群。在我們熟悉的幾種材料中，窗戶玻璃一般是硅與氧等元素合成的，塑料則是高分子玻璃。金屬玻璃是由不同金屬元素原子組成的非晶態合金，結構上具有玻璃的特性，但因為其金屬元素的加入，就具有了金屬的特性。

　　金屬玻璃由于具有很多不同于傳統玻璃材料的物理、力學、化學性能，在很多領域已經得到應用，或者說有很大的應用潛力。航天方面，現在衛星收集太陽能維持運轉的伸展機構大多使用的是高分子有機材料，存在易揮發和易老化的問題，會給整個系統運轉造成障礙。因此，耐腐蝕、抗撞擊、耐冷熱的金屬玻璃有可能在未來成為理想的候選材料。金屬玻璃還被用來收集太陽風，研究太陽的起源。

　　軍事方面，由于其優異的力學性能，金屬玻璃可用來制造動能破甲、穿甲彈。金屬玻璃和鎢復合制成的穿甲彈頭，密度高、強度大、穿甲性能好，具有自銳效應，也具有貧鈾彈頭的高絕熱剪切敏感性，有望取代對環境造成嚴重危害的貧鈾彈。鐵基金屬玻璃可用于艦艇防腐、防磁。

　　工業方面，電壓變壓器芯體要求材料具有軟磁性，軟磁性越高，在芯體上損失的能量越少。現在變壓器普遍使用的是硅鋼片，而具有較高軟磁性的金屬玻璃可以使變壓器重量減輕1/3，能量耗損減少1/3。

　　日常生活中，高強度的金屬玻璃已被應用于滑雪、網球、高爾夫球拍、自行車、潛水裝置等體育裝備上；磁敏感的金屬玻璃也用于書、光盤的防盜標簽。相信在不久的將來，隨著其制備工藝和研究進展，我們將可以看到金屬玻璃制成的手表表殼、高檔手機、手提電腦外殼，以及在汽車重要部件上的應用。

　　神秘的玻璃世界

　　玻璃是我們最熟悉的材料之一，它雖然普通，但絕不簡單——玻璃包含很多深奧的科學問題，人們至今對這些問題的認識還很膚淺——為什么玻璃會形成?玻璃到底是固體還是液體?玻璃為什么很脆?玻璃脆性斷裂機理是什么？液體和熔體變為玻璃的過程稱為玻璃轉變，它是各種玻璃制造中幾乎都涉及到的一個不可缺少的過程。諾貝爾物理學獎獲得者Anderson曾稱其是凝聚態物理中最深、最有趣的問題。

　　再比如在玻璃化轉變過程中涉及到自然界的很多現象,讓有生命的與無生命的物質產生許多奇妙的現象和結果。

　　某些動物和植物可以在非常惡劣（高壓、低溫和干燥）的環境下生存，被認為是生命力最強的動物，其實它們就是借助玻璃態的保護作用——當嚴酷環境來臨時，這些生物就會進入潛生狀態——自己進入玻璃態，保護自身組織不受傷害。當外界條件改善后，它們又可以重新恢復活力。

　　科學家也嘗試著用類似的方法來長期保存生物體、血液、藥品等。像玻璃一樣透明清澈的試管嬰兒冷凍備選胚胎，就是采用玻璃轉變方法實現“玻璃化”冷凍。這種方法降溫速度快，對胚胎影響小。玻璃化保存胚胎的作用在于萬一患者首次懷孕失敗，可以將冷凍胚胎解凍后再次進行胚胎移植，還可使用保存下來的胚胎再次生育。在零下196℃的情況下，玻璃化凍存的胚胎和卵子的代謝幾乎處于靜止狀態，理論上能保存十年。而且玻璃化冷凍復蘇概率遠高于傳統的慢速冷凍胚胎的復蘇率，胚胎解凍后就能移植進母體發育生長。

　　如今，玻璃已經越來越受到科技界的關注。紐約時報最近刊登了題為《玻璃本質仍不清楚》的文章，指出玻璃本質研究的重要性：“認識玻璃不僅可以解決一個長期基本（值得獲諾貝爾獎）的問題，且能獲得更好的玻璃材料，還可能對制藥有幫助。因為非晶態的藥更容易被身體吸收，從而使很多藥物可以避免使用注射方法，而是直接口服。玻璃研究的手段和技術也能促進其他領域（如生物、材料學等）問題的解決。”