提到“玻璃”，大多数人可能会联想到饮用杯或矫正眼镜，鲜有人会想到金属。然而，金属玻璃，亦称为“无定形金属”，在科学研究和技术应用中正日益显现其重要性。
当金属熔体迅速冷却并在短短几分之一秒内凝固时，其原子结构依然处于无序状态。如果冷却过程较慢，原子有机会重新排列并形成有序的晶格结构，但快速冷却则导致原子无法及时重新排列，实际上是被“锁定”在原位。
这种原子无序性使得“非平衡”金属玻璃与有序的晶体合金具有截然不同的特性。金属玻璃的强度可以超过钢材，同时又具备聚合物的弹性。
关于“玻璃化转变”——从液态到固态玻璃的突变——在原子层面上究竟发生了什么，伊莎贝拉·加里诺多年来一直在探索。几年前，材料科学家加里诺打破了该领域一个广泛接受的理论。
传统观点认为，金属熔体在经历玻璃化转变时，材料会在获得固态特性的同时失去液态特性。加里诺则表明，事实并非如此，并根据原子大小的不同来解释这一现象。
当较大的原子已经冻结并几乎无法移动时，较小的原子仍然可以活动，从而使合金保持液态特性。只有当较小的原子最终冻结时，液体才会完全转变为玻璃状态。
这一发现对于理解伊莎贝拉·加里诺博士、拉尔夫·布希教授及其几位博士生（均来自萨尔大学）与西班牙圣塞巴斯蒂安材料物理中心的丹尼尔·坎亚洛西及来自美国的同事们的合作研究至关重要。
实验中，金属液滴越小，其“抵抗”冻结成玻璃态的时间就越长。研究小组指出，对于小于10微米的样品，这一现象尤为明显。简而言之，较小的合金样品需要在更低的温度下才能凝固成金属玻璃。直径为10.8微米的液滴凝固成金属玻璃的温度比直径为1.3微米的液滴高出约40开尔文。
拉尔夫·布希总结道：“如果我们从低温开始加热材料，小块的非晶合金会比大块的更早融化。”这种材料再次变为“液体”，失去了作为固体金属玻璃的特性。然而，在大约10微米以上的样品尺寸上，观察到的效果急剧下降。
在这个阈值以上，玻璃成型材料的表现方式没有尺寸依赖的差异。玻璃过渡区的冷冻和解冻过程是通过一种称为Flash DSC芯片量热计的仪器进行测量的，该仪器允许在非常快速的冷却和加热条件下研究小样本数量。
“我们观察到的效果是普遍的，”伊莎贝拉·加里诺在评论她的发现的深远意义时表示。这种现象不仅适用于金属合金，也适用于所有其他凝固成玻璃而不经历结晶的材料。并且有大量已知的物质在其凝聚态下形成无定形而非有序的晶体结构。
即使在地球上处于冰冻状态的水也有规则的晶体结构，但在更广阔的宇宙中，水是玻璃状或无定形的，例如在温度低于-150°C的彗星上发现的水。从科学的角度来看，玻璃化的过程——玻璃从液态转变为无定形固态——是一个基本的研究兴趣。
这就是为什么伊莎贝拉·加里诺、拉尔夫·布希及其国际同事在半导体工业或复合材料等多个领域引起了相当大的关注。这些行业中的许多材料在微米级上相互连接。
由于加里诺、布希和其他人的研究，我们现在知道这种规模的材料会更快地变得“无序”，因此它们越小就会失去其特性。因此，材料科学家将能够在未来利用这些信息来具体影响材料的耐久性。
研究结果已发表在《自然通讯》杂志上。
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评论列表（4条）
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希望本篇文章《为什么微小的金属液滴需要更长的时间才能凝固成玻璃：材料科学的基本观察》能对你有所帮助！
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