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“玻璃心”碎了?其实是“液态金属心”碎了

发布时间:2019/4/1 9:27:32浏览:

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一款液态金属制作的吉他已经悄然问世,世界上第一款液态金属智能手机也早已进入市场。那么,液态金属到底是什么?它和我们今天的主角玻璃又有怎样的关系呢?

玻璃,是日常生活中随处可见的东西,它四四方方,质地坚硬,用力一敲就会碎掉,拥有典型固态的特征。但当我们把玻璃敲碎,把它的粉末拿到显微镜下观察,却会发现它的分子排列混乱无序,相比于金属、陶瓷、冰块这些分子排列整齐有序的固态而言,玻璃更像是液态。其实,准确来说,玻璃是玻璃态。

玻璃态:温度骤降背后的秘密

当高温液体冷却到熔点的时,液体就会开始凝固,逐渐形成固体。凝固是液体中无序排列的分子逐渐过渡为整齐排列的状态的过程,就好像在操场上自由活动的学生,在听到老师喊集合的命令后,陆陆续续地排成一个个整齐的队伍一样。这种分子整齐堆积在一起的状态叫做晶态,处于晶态的物质叫做晶体。

那液体冷却一定会得到晶体么?当然不是。若液体冷却到了低于熔点温度却仍然不结晶,这时我们就说这种液体“过冷”了。如果你想亲身见识一下过冷液体,不妨尝试一个有趣的小实验:

首先准备一瓶未开封过的蒸馏水,然后小心翼翼地把它放进冰箱的急冻室里,注意整个过程不能有剧烈的震荡;另外再准备同样大小的瓶子,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,发现自来水已经结冰了,蒸馏水依然是液体。这瓶未结冰的蒸馏水就是过冷液体。

这是为什么?液体在冷却过程需要有结晶“中心”才能结晶,自来水虽然经过过滤净化,但是依然会含有微量杂质,这些杂质形成了自来水结晶的“中心”。而蒸馏水是完全纯净的水,没有任何杂质,在冷却到0℃后,水分子没有依靠的“中心”,所以不会结冰,而是形成过冷水。但是只要你往里面投入一粒盐粒,过冷水就会以盐粒为中心开始结冰,最终全部形成冰块。

过冷液体很不稳定,如果在低温下放置时间长了,它也会自动地慢慢地变成冰块。但是这并不是我们想要得到的状态,为了防止过冷液体凝固,我们继续降低温度,当温度降低到某个临界点时,液体分子行动突然变得非常迟缓,液体的粘度剧烈增大,流动性也大大降低,从宏观上看,物体表现得就和固体一模一样,这时候的物质状态就是玻璃态。

水的粘度大概是~1cP(厘帕),食用油是~65cP,酸奶是~150cP,洗涤剂是~1500cP,粘度越大的流体,它的流动能力就越差。从这个角度理解,我们可以认为玻璃态的物质是粘度非常大的液体,大到它们甚至不会流动的程度。玻璃就是玻璃熔体经过过冷,然后再进行快速冷却得到的物体。

玻璃可以是任何物质

过冷液体性质发生突变形成玻璃态的转变过程,叫做玻璃化转变,对应的温度称为玻璃化转变温度。

相信大部分人在初中时都做过固体熔化的实验。当时老师让学生分别加热海波和石蜡两种物质,观察并记录两者的温度曲线和熔化过程的形态。海波是一种晶体,它熔化是从部分固体开始的,熔化时温度保持不变,并且会出现固液两相共存的现象,直到所有固体熔化成液体温度才会继续上升;而石蜡熔化过程中温度一直上升,升温过程会整体一起从固体变成软乎乎、黏糊糊的东西,最后再变为澄清的液体,没有固定的熔点。

现在我们知道了,石蜡是一种玻璃态物质,加热时与其说它熔化了,不如说它“转变”了,而且转变过程没有确定的温度,是一个温度区间。从广义上来说,能够通过玻璃化转变成玻璃态的物质可以笼统地称为“玻璃”。

可以看出,玻璃化转变与熔化有着非常大的差异。实际上,玻璃化转变不属于热力学上的相变过程,无论是晶体熔化还是液体沸腾汽化,都需要吸收热量保持相变时温度不变,而玻璃化转变不会吸收潜热,变化时温度也不会维持不变,它是力学状态上的一种变化。对于玻璃化转变的实质,现在还不是十分清楚。玻璃态也不是热力学上的一种状态,因为与晶体、液体、气体这些稳定状态相比,玻璃是一种不稳定的状态,就和过冷水一样,它有自发向着晶态变化的倾向,但是这个自发趋势需要越过一段能垒,因此过程十分缓慢,短时间内难以观察得到。

一些年代久远的老房子,它们的窗户可能会变得不那么透明了,就是因为玻璃结晶了。如果是石英玻璃,在结晶之后会形成石英。石英玻璃是二氧化硅的玻璃态,石英则是它的结晶态。如果你将玻璃加热再缓慢冷却,形成的也是石英而不是玻璃,所以自然状态下很难观察到玻璃的存在。

金属玻璃:玻璃态应用的黄金时代

玻璃态物质虽然是一种亚稳态物质,在我们生活中却扮演者非常重要的角色。用来铺柏油马路的沥青,各种塑料制品,还有蜡烛、石蜡等常见的东西,都是玻璃态物质。理论上,只要冷却速度足够快,让冷却过程材料来不及结晶,所有液体都可以形成玻璃,金属也不例外。

金属玻璃,顾名思义,就是处于玻璃态的金属,也叫做非晶态金属,商品名叫液态金属。下面如果提到非晶金属、非晶合金,指的都是金属玻璃。像玻璃、沥青、塑料这些材料,因为构成它们的分子很大,在降低温度时粘度会迅速升高,容易形成玻璃态。但是金属的构成基本单元是原子,它们的移动能力很强,通常情况下都是以晶体形式出现,如果要让金属形成玻璃态,就需要非常快的冷却速率,普通的降温手段难以达到,所以金属玻璃的制备一直是困扰科学家们的难题。直到上世纪60年代,美国科学家发明了快速急冷法,金属玻璃的研究才真正进入了新时代。

那么金属玻璃究竟有何魅力可以让科学家们如此着迷呢?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优点。首先,它比普通钢材强度、硬度更高,屈服强度可达到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;同时它弹性非常优异,将它应用在高尔夫球击球头时,能够把99%的能量传递到球身上,用同样的力度击打,球可以飞行得更远。

目前,金属玻璃已经成功应用在棒球、滑雪、滑冰等体育项目上。在军事方面,高强、高韧的金属玻璃不但可以用于制作防弹衣、装甲,还可以用于制作反坦克的穿甲弹。

普通的金属通常是多晶材料,我们可以理解为由一颗颗小的晶体所构成的大晶体。这些小晶体叫做晶粒,晶粒与晶粒交界的界面称为晶面。晶面处所含能量比较高,容易富集杂质原子,比晶粒的内部更加容易发生氧化和腐蚀。而金属玻璃中的原子以无规则形态排列,没有晶粒和晶界,这意味着它长期泡在酸、碱、盐水等环境下不容易被腐蚀,也就是说不会那么容易“生锈”了,寿命也就更长了。如果将它应用在化工、海水等易腐蚀环境下,效果肯定棒棒的。

目前,已有部分非晶合金涂层成功地应用在石油行业的钻具、油气输送管道,电力行业的锅炉、循环泵,以及军事上轮船、舰艇等领域。另外,金属玻璃相比于晶态金属,原子排列比较疏松,密度小,而且耐磨擦性能优异,用它制成手机外壳,可以使得手机更轻便、更结实、更耐磨损、更耐摔。

金属玻璃最成熟最广泛的应用在于它的磁性方面。铁、钴、镍基的金属玻璃具有非常良好的软磁性,是电机、变压器、电感器、无线电频率识别器等电力、电子产品的理想铁芯材料。

最有意思的是,金属玻璃在加热情况下可以变成具有流动性的粘稠液体,这样我们可以像吹制玻璃仪器一样,将金属玻璃吹制成各种形状的制品。总之,金属玻璃具有许多优异的特点,尽管现在大部分仍处于开发阶段,但是前景十分诱人。

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