金属是现代建成环境中使用最广泛的材料之一，从建筑、飞机到智能手机，随处可见。大多数金属都开采自地球，而科学家最近在实验室中创造出新一代金属。这些所谓的块体金属玻璃具有独特的性质：它们比传统金属更强、更硬，却能像塑料一样成形。这听起来令人惊讶。它们的特殊特性从何而来？
肉眼看来，这些实验室制造的材料像普通金属，但表面更光滑，也非常闪亮。其非凡性质的奥秘在于原子层面的结构。我和同事（来自 UdS 和 OSU）开展了 一项新研究 ，利用高能X射线光揭示其中一些奥秘。我们发现了块体金属玻璃的原子尺度结构与可见尺度黏性流动之间的关系——本质上，这种关系解释了它们为何能像浓稠的蜂蜜或稀薄的水一样流动。
强度极高，也能流动
块体金属玻璃由多种成分制成，包括锆、铜、镍、铝、金和铂。它们具有极高的强度。如果撕扯、弯折或按压一块这类金属，它强韧到很难使其发生永久变形。它能储存的变形能远高于任何其他金属，因此是理想的弹簧材料。
然而，块体金属玻璃的独特之处在于，它将极高强度与像浓稠液体一样流动的能力结合起来；这种能力出现在一种特殊的过冷液态中，而普通金属无法达到这种状态。加热到一定温度范围后，它们会像黏稠液体一样流动。因此，可以采用通常用于传统玻璃和塑料的热成型工艺来模制这些特殊金属。原则上，甚至可以像吹制玻璃瓶那样吹制金属。
自然界中的所有金属，其原子都以规则、重复的方式排列，几乎均匀地堆叠成三维晶格。相比之下，这些实验室制造的块体金属玻璃，其原子排列大致是随机的。这是因为它们由加热后的液态材料快速冷却而成，速度快到原子被“冻结”在当时的位置；材料由此保持了液体的非晶结构。
普通金属的规则晶体结构中广泛存在某些缺陷。施加外力时，这些缺陷会帮助排列有序的原子层彼此滑移，因此这些合金相当容易发生永久变形。块体金属玻璃则不会如此，因为其原子混杂在一起，并未排列成规则网格。它们的结构意味着，在形状发生永久改变之前，可以抵抗大得多的变形或外力。
但块体金属玻璃真正非同寻常之处，在于它们能在过冷液态下像浓稠液体一样流动——这是一种独特且相当稳定的状态，而传统金属几乎不可能达到。要使块体金属玻璃进入这种特殊状态，需将其加热到一定温度范围——通常略高于其熔点温度的三分之二——即所谓的过冷液体区。温度升高会使原子解冻，从而能够移动。它们表现得像液体，但非常黏稠，流动缓慢。利用这一特殊的黏性流动区，科学家能够成形并塑造块体金属玻璃的几何形状，例如通过“吹塑”工艺；其他金属加工方式则无法做到这一点。
正是这些特殊性质，使块体金属玻璃在消费电子产品领域极具吸引力。早在2010年，科技巨头苹果公司就与Liquidmetal Technologies达成了一项 独家协议 ，约定在其产品中使用块体金属玻璃；苹果公司本身也持续为这种新材料申请专利。奢侈手表制造商斯沃琪集团已在其顶级品牌 欧米茄的产品中使用这种特殊金属。这些制造商看重它们的强度，以及将其模制成精确、复杂形状以用于小型部件的能力。
戴上X射线眼镜
块体金属玻璃为何具有黏性，一直是个难解之谜。为何有些成分比其他成分更黏？为此，我们使用极强的X射线光源，在纳米尺度——即十亿分之一米——观察这些材料。我们希望了解原子如何排列。
我们使用粒子加速器 DESY的PETRA III产生这种光，它是世界上最明亮的辐射源。X射线束不仅比医院、大学或工业实验室所用的亮数十亿倍，而且聚焦极其紧密，波长也极短。这种光能够探测原子位置的细微变化。探测过程足够迅速，使我们可以每秒监测结构变化，并在逐度升高温度的同时进行观察。
我和同事发现，形成块体金属玻璃的液体，其原子排列在约一纳米范围内表现出很强的有序性。随着温度升高，结构在某些距离上的膨胀速度远快于其他距离，而且这种变化并不一致。更有意思的是，某些距离上的原子比其他原子更“重要”，因为它们是决定黏性流动能力的关键因素。
我们确定，关键距离相当于约三个到四个原子直径。如果一种块体金属玻璃中的原子以某种方式排列，使这些原子周围关键距离处的局部体积随温度升高而膨胀的速度快于另一种块体金属玻璃，那么前者的过冷液体就会比后者“稀”得多，或者说更容易流动。
这揭示了黏性流动能力在原子尺度结构上的起源，并解释了何种原子排列会使一种成分比另一种更黏。原子在关键的三个到四个原子直径距离处形成特定复杂有序结构的速度越慢，材料就越黏。掌握这种结构信息后，只需了解块体金属玻璃的原子排列，并通过计算机模拟原子运动，就有可能在实验室制备之前预测其黏度。
我们的发现揭示了未来如何通过设计原子尺度结构，定制这种新一代金属所需的性质。
本文由 The Conversation合作发表。阅读 原文。发表本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
如需了解议程最新动态， 请订阅我们的每周简报。
作者：Shuai Wei是亚利桑那州立大学化学与生物化学系Feodor Lynen博士后研究员。
图片：是什么性质使实验室制造的金属能够像液体一样流动（如这幅数字艺术作品所示）？ Balakanu， 知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0 国际许可协议
