耶魯大學(xué)Jan Schroers:金屬可以變成玻璃?在納米尺度上可以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)布日期:2024-02-27 瀏覽次數(shù):
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幾個(gè)世紀(jì)以來,冶金學(xué)家一直在研究金屬如何變形或?qū)ν獠繎?yīng)力作出反應(yīng)。在傳統(tǒng)金屬——原子排列整齊的晶體金屬——這一過程相當(dāng)容易理解了。但對(duì)于金屬玻璃和其他非晶態(tài)金屬的變形,這答案一直難以捉摸,特別是當(dāng)涉及到納米尺度上的工作原理時(shí)。
近期,在一項(xiàng)新的研究中,耶魯大學(xué)Jan Schroers教授研究了非晶金屬在非常小的尺寸下的物理特性——這一洞察可能會(huì)帶來制造金屬玻璃的新方法;研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。
金屬玻璃具有金屬的強(qiáng)度,但具有塑料的柔韌性,是一種被廣泛應(yīng)用的材料:航空航天,空間,機(jī)器人,消費(fèi)電子產(chǎn)品,體育用品和生物醫(yī)學(xué)用途……
這些材料的特性歸功于它們獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu):當(dāng)金屬玻璃從液體冷卻到固體時(shí),它們的原子會(huì)隨機(jī)排列,而不會(huì)像傳統(tǒng)金屬那樣結(jié)晶。
但是防止原子結(jié)晶是一件棘手的事情,對(duì)其工作原理的任何深入了解都可能對(duì)更有效地生產(chǎn)金屬玻璃大有幫助。
研究人員說:“為了推進(jìn)非晶金屬的制造和使用,需要對(duì)其尺寸和溫度相關(guān)變形有一個(gè)基本而完整的了解。”
在過去的幾十年里,人們已經(jīng)確定,在宏觀尺度上,原子在一定的溫度下變形時(shí),會(huì)集體移動(dòng)。
但是當(dāng)納米尺寸的樣品變形時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢?實(shí)驗(yàn)室決定用軟態(tài)的鋯銅和其他金屬玻璃樣品來找出答案。
結(jié)果發(fā)現(xiàn),在100納米或更小的樣本尺寸上,原子開始偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則。
研究人員發(fā)現(xiàn),在這種尺寸下,如果原子繼續(xù)集體移動(dòng),樣品的化學(xué)成分將永遠(yuǎn)不會(huì)改變。但相反,在納米尺寸下發(fā)生的是原子單獨(dú)運(yùn)動(dòng),在某一點(diǎn)上,金屬開始迅速變形。
這很重要,因?yàn)樵釉诰w材料表面的移動(dòng)速度更快,所以,樣品越小,材料在表面上或接近表面的比例就越大。為了變形,原子通過使用這樣一個(gè)快速的表面路徑走了一段額外的距離,實(shí)現(xiàn)比一般更快的變形。這是對(duì)一個(gè)仍有許多未解之謎的物理領(lǐng)域的洞察。
“我們基本上知道晶體的一切,我們基本上知道氣體的一切,但在科學(xué)界,我們對(duì)液態(tài)并不了解。物體運(yùn)動(dòng)太快,所以觀察方法受到挑戰(zhàn),而且由于液體中的順序是非周期性的,我們無法將問題縮小到更小的單位。”研究人員說。
實(shí)驗(yàn)室目前專注于哪種合金最有希望通過這種方法制造金屬玻璃。“合金應(yīng)該包含相似的元素,但不能太相似,否則它們生長的模板就不能形成玻璃,”Schroers教授說。
這些研究除了科學(xué)影響外,在技術(shù)層面上也具有重要意義。與目前通過快速冷卻避免結(jié)晶的技術(shù)不同,這些發(fā)現(xiàn)為研究人員提供了一種緩慢生長亞穩(wěn)態(tài)材料的新方法。這些材料包括金屬玻璃,甚至其他以前無法用其他技術(shù)制造的材料。
良好的導(dǎo)電性、高磁導(dǎo)率、高導(dǎo)熱性,以及優(yōu)異的機(jī)械性能,使非晶金屬在多個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛的商業(yè)應(yīng)用。據(jù)了解,國內(nèi)已有企業(yè)使用非晶金屬從事產(chǎn)品化和商業(yè)化,比如實(shí)現(xiàn)微納尺度的精密模芯制造,還有不少非晶合金產(chǎn)品加工制造商,提供如非晶帶材和非晶鐵芯等產(chǎn)品,這些產(chǎn)品在電子、體育器材、航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
文章來源于微納世界。
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