可弯的玻璃

金属玻璃(metallic glass)的可弯曲程度越来越大了,这也使得它们在应用上越来越重要。

虽然金属玻璃的强度较大,但是此性质也造成它比较易碎。在一般的金属中,原子是排列成均匀的晶体阵列的,或是至少是由许多小区域的规则结晶互相堆叠而成的。因此当金属受到应力作用时,结晶的小区域会平移到邻近的区域而与邻近区域的原子保持互相吸引的状态,使得金属可以保持弯曲而不会断裂。但是在金属玻璃里的原子却是没有规律地任意分布在材料里面,就像液体一样。因此一旦受到应力,每个原子平移后找不到同时相互吸引的原子,因而就造成断裂。

在过去,研究人员就已经借着将金属和小的纳米粒子混和,做出可以弯曲的金属玻璃。在这些金属玻璃里的裂缝会沿着材料传递,直到碰到纳米粒子为止。但是这些金属玻璃只能稍微地弯曲,而且,这些材料的制作相当困难且昂贵。因此在Chinese Academy of Science’s Institute of Physics in Beijing的物理学家Wei Hua Wang及其同僚才想设法寻找更简单的解决方案。他们在一般被用来制作金属玻璃的原料锆、铝、铜及镍中寻找配方,最后他们找到了一个简单的方法,可以使得在材料中正好是坚硬且高密度的区域外面包着软的低密度的区域。因此,当研究人员弯折材料时,从某个区域开始的裂缝不会传到下一个区域。材料不再因为一个小裂缝而整个碎掉,而是会把应力分散到许多的小裂缝,使得它比之前的材料可以有更大程度的弯曲。这个结果发表于2007年三月九日的Science上。

Stanford University in California的材料学家Reinhold Dauskardt认为这是个相当重要的结果。可是他也注意到,在论文里呈现的数据只集中在当材料受到挤压时的情形,而没有被拉扯时的情形。后者关系到的是材料所可以承受的张力为何,这是在许多的应用上,例如支撑建筑物的结构,一个很重要的性质。因此,如果这个新的材料也可以承受这种形式应力的话,那就几乎可以取代大部分现有的材料了。

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