“玻璃心”碎了？其實是“液態金屬心”碎了

文章來自“科學大院”公眾號

作者：蔡東民

一款液態金屬製作的吉他已經悄然問世，世界上第一款液態金屬智能手機也早已進入市場。那麽，液態金屬到底是什麽？它和我們今天的主角玻璃又有怎樣的關係呢？

2016年，美國液態金屬公司與馬丁吉他公司達成了協議，將推出一款液態金屬合金製成的吉他配件，並用液態金屬注塑機來製造。 （圖片來源：Veer圖庫）

玻璃，是日常生活中隨處可見的東西，它四四方方，質地堅硬，用力一敲就會碎掉，擁有典型固態的特徵。但當我們把玻璃敲碎，把它的粉末拿到顯微鏡下觀察，卻會發現它的分子排列混亂無序，相比於金屬、陶瓷、冰塊這些分子排列整齊有序的固態而言，玻璃更像是液態。其實，準確來說，玻璃是玻璃態。

生活中隨處可見的玻璃 （圖片來源：視覺中國）

玻璃態：溫度驟降背後的秘密

當高溫液體冷卻到熔點的時，液體就會開始凝固，逐漸形成固體。凝固是液體中無序排列的分子逐漸過渡為整齊排列的狀態的過程，就好像在操場上自由活動的學生，在聽到老師喊集合的命令後，陸陸續續地排成一個個整齊的隊伍一樣。這種分子整齊堆積在一起的狀態叫做晶態，處於晶態的物質叫做晶體。

那液體冷卻一定會得到晶體麽？當然不是。若液體冷卻到了低於熔點溫度卻仍然不結晶，這時我們就說這種液體“過冷”了。如果你想親身見識一下過冷液體，不妨嘗試一個有趣的小實驗：

首先準備一瓶未開封過的蒸餾水，然後小心翼翼地把它放進冰箱的急凍室裡，注意整個過程不能有劇烈的震蕩；另外再準備同樣大小的瓶子，裝滿自來水，同時放進急凍室內急凍；幾個小時後，打開冰箱門，發現自來水已經結冰了，蒸餾水依然是液體。這瓶未結冰的蒸餾水就是過冷液體。

這是為什麽？液體在冷卻過程需要有結晶“中心”才能結晶，自來水雖然經過過濾淨化，但是依然會含有微量雜質，這些雜質形成了自來水結晶的“中心”。而蒸餾水是完全純淨的水，沒有任何雜質，在冷卻到0℃後，水分子沒有依靠的“中心”，所以不會結冰，而是形成過冷水。但是只要你往裡面投入一粒鹽粒，過冷水就會以鹽粒為中心開始結冰，最終全部形成冰塊。

過冷水小實驗（圖片來源：https://www.iqiyi.com/w_19rwgabn19.html）

過冷液體很不穩定，如果在低溫下放置時間長了，它也會自動地慢慢地變成冰塊。但是這並不是我們想要得到的狀態，為了防止過冷液體凝固，我們繼續降低溫度，當溫度降低到某個臨界點時，液體分子行動突然變得非常遲緩，液體的粘度劇烈增大，流動性也大大降低，從宏觀上看，物體表現得就和固體一模一樣，這時候的物質狀態就是玻璃態。

水的粘度大概是~1cP（厘帕），食用油是~65cP，優酪乳是~150cP，洗滌劑是~1500cP，粘度越大的流體，它的流動能力就越差。從這個角度理解，我們可以認為玻璃態的物質是粘度非常大的液體，大到它們甚至不會流動的程度。玻璃就是玻璃熔體經過過冷，然後再進行快速冷卻得到的物體。

液體冷卻過程可能形成晶體也可能形成玻璃態（圖片來源：作者繪製）

玻璃可以是任何物質

過冷液體性質發生突變形成玻璃態的轉變過程，叫做玻璃化轉變，對應的溫度稱為玻璃化轉變溫度。

相信大部分人在初中時都做過固體熔化的實驗。當時老師讓學生分別加熱海波和石蠟兩種物質，觀察並記錄兩者的溫度曲線和熔化過程的形態。海波是一種晶體，它熔化是從部分固體開始的，熔化時溫度保持不變，並且會出現固液兩相共存的現象，直到所有固體熔化成液體溫度才會繼續上升；而石蠟熔化過程中溫度一直上升，升溫過程會整體一起從固體變成軟乎乎、黏糊糊的東西，最後再變為澄清的液體，沒有固定的熔點。

現在我們知道了，石蠟是一種玻璃態物質，加熱時與其說它熔化了，不如說它“轉變”了，而且轉變過程沒有確定的溫度，是一個溫度區間。從廣義上來說，能夠通過玻璃化轉變成玻璃態的物質可以籠統地稱為“玻璃”。

海波的熔化曲線和石蠟的玻璃化轉變曲線（圖片來源：http://cooco.net.cn/testdetail/198474/）

可以看出，玻璃化轉變與熔化有著非常大的差異。實際上，玻璃化轉變不屬於熱力學上的相變過程，無論是晶體熔化還是液體沸騰汽化，都需要吸收熱量保持相變時溫度不變，而玻璃化轉變不會吸收潛熱，變化時溫度也不會維持不變，它是力學狀態上的一種變化。對於玻璃化轉變的實質，現在還不是十分清楚。玻璃態也不是熱力學上的一種狀態，因為與晶體、液體、氣體這些穩定狀態相比，玻璃是一種不穩定的狀態，就和過冷水一樣，它有自發向著晶態變化的傾向，但是這個自發趨勢需要越過一段能壘，因此過程十分緩慢，短時間內難以觀察得到。

一些年代久遠的老房子，它們的窗戶可能會變得不那麽透明了，就是因為玻璃結晶了。如果是石英玻璃，在結晶之後會形成石英。石英玻璃是二氧化矽的玻璃態，石英則是它的結晶態。如果你將玻璃加熱再緩慢冷卻，形成的也是石英而不是玻璃，所以自然狀態下很難觀察到玻璃的存在。

晶體的能量更低，所以玻璃態物質會自發向晶態轉變（圖片來源：作者繪製）

金屬玻璃：玻璃態應用的黃金時代

玻璃態物質雖然是一種亞穩態物質，在我們生活中卻扮演者非常重要的角色。用來鋪柏油馬路的瀝青，各種塑料製品，還有蠟燭、石蠟等常見的東西，都是玻璃態物質。理論上，只要冷卻速度足夠快，讓冷卻過程材料來不及結晶，所有液體都可以形成玻璃，金屬也不例外。

金屬玻璃，顧名思義，就是處於玻璃態的金屬，也叫做非晶態金屬，商品名叫液態金屬。下面如果提到非晶金屬、非晶合金，指的都是金屬玻璃。像玻璃、瀝青、塑料這些材料，因為構成它們的分子很大，在降低溫度時粘度會迅速升高，容易形成玻璃態。但是金屬的構成基本單元是原子，它們的移動能力很強，通常情況下都是以晶體形式出現，如果要讓金屬形成玻璃態，就需要非常快的冷卻速率，普通的降溫手段難以達到，所以金屬玻璃的製備一直是困擾科學家們的難題。直到上世紀60年代，美國科學家發明了快速急冷法，金屬玻璃的研究才真正進入了新時代。

晶態金屬和金屬玻璃的原子排列狀態（圖片來源：http://www.sohu.com/a/229957634_99934330）

那麽金屬玻璃究竟有何魅力可以讓科學家們如此著迷呢？金屬玻璃既是金屬也是玻璃，它兼具金屬和玻璃兩種材料的優點。首先，它比普通鋼材強度、硬度更高，屈服強度可達到1900MPa，是不鏽鋼的兩倍還多；而韌性又比玻璃好，斷裂韌性高達55MPa·m-1/2，是玻璃的幾十倍；同時它彈性非常優異，將它應用在高爾夫球擊球頭時，能夠把99%的能量傳遞到球身上，用同樣的力度擊打，球可以飛行得更遠。

高爾夫球杆的擊球頭（圖片來源：視覺中國）

目前，金屬玻璃已經成功應用在棒球、滑雪、滑冰等體育項目上。在軍事方面，高強、高韌的金屬玻璃不但可以用於製作防彈衣、裝甲，還可以用於製作反坦克的穿甲彈。

超人百毒不侵，可能是穿了金屬玻璃的防彈衣 （圖片來源：視覺中國）

普通的金屬通常是多晶材料，我們可以理解為由一顆顆小的晶體所構成的大晶體。這些小晶體叫做晶粒，晶粒與晶粒交界的界面稱為晶面。晶面處所含能量比較高，容易富集雜質原子，比晶粒的內部更加容易發生氧化和腐蝕。而金屬玻璃中的原子以無規則形態排列，沒有晶粒和晶界，這意味著它長期泡在酸、鹼、鹽水等環境下不容易被腐蝕，也就是說不會那麽容易“生鏽”了，壽命也就更長了。如果將它應用在化工、海水等易腐蝕環境下，效果肯定棒棒的。

目前，已有部分非晶合金塗層成功地應用在石油行業的鑽具、油氣輸送管道，電力行業的鍋爐、循環泵，以及軍事上輪船、艦艇等領域。另外，金屬玻璃相比於晶態金屬，原子排列比較疏松，密度小，而且耐磨擦性能優異，用它製成手機外殼，可以使得手機更輕便、更結實、更耐磨損、更耐摔。

非晶合金塗層應用在海洋艦艇的甲板、關鍵零組件上（圖片來源：http://www.vccoo.com/v/1abc3b）

全球首款液態金屬手機（圖片來源：https://mobile.pconline.com.cn/666/6666623.html）

金屬玻璃最成熟最廣泛的應用在於它的磁性方面。鐵、鈷、鎳基的金屬玻璃具有非常良好的軟磁性，是電機、變壓器、電感器、無線電頻率識別器等電力、電子產品的理想鐵芯材料。

最有意思的是，金屬玻璃在加熱情況下可以變成具有流動性的粘稠液體，這樣我們可以像吹製玻璃儀器一樣，將金屬玻璃吹製成各種形狀的製品。總之，金屬玻璃具有許多優異的特點，儘管現在大部分仍處於開發階段，但是前景十分誘人。

作者部門：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

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