科学家发现玻璃如何转变为弹性状态的关键要素

时间：2021-08-06 18:52:14 来源：

与材料结构有关的虚拟温度会极大地影响金属玻璃的韧性。上方，虚构温度不同（从左到右增加）的金属玻璃的缺口样品从脆性变为延性，如缺口前面的黄色标记区域所示。

在解决了一个有着数百年历史的问题之后，研究人员发现了眼镜如何转变成非常有弹性的状态的关键因素。这一突破可以为眼镜的更广泛应用提供更可靠的使用方法，尤其是金属玻璃。

大块金属玻璃（BMG）是由复杂的多组分合金制成的一类相对较新的材料。它们在高温下具有塑料的可模塑柔韧性，但在室温下具有金属的强度。BMG的特性归功于其独特的原子结构：当金属玻璃从液体冷却到固体时，它们的原子沉淀成无规排列，并且不会像传统金属那样结晶。

确切地说，在这种玻璃过渡过程中，对于所有形式的玻璃，发生了什么事，数百年来一直困扰着研究人员。而且，所得玻璃的性能如何依赖于转变仍然不清楚。8月16日发表在《自然通讯》上的一项研究提供了关键信息。

由机械工程与材料科学教授Jan Schroers领导的研究人员得出结论，这些难题的关键在于非标准数量的虚构温度。虚构的温度而不是集中在热量上，而是集中在材料的结构上，该材料在从液体到固体的转变过程中不断变化，反之亦然。

施罗尔斯说：“每次稍微改变温度，整个结构-内部的每个原子-都会改变其位置。”“在传统材料中根本不会发生这种情况。”

关注虚构温度而不是常温是与该领域传统思维的重大偏离。

以色列魏兹曼科学研究所化学和生物物理学教授合着的Eran Bouchbinder说：“我们注意到，常温所做的事情-热能或动能-的意义不大。”“鉴于结构变化-虚拟温度-这非常重要。”

这些发现代表了该领域的变革性变化，并且可以大大提高BMG的处理可靠性。能够始终如一地获得具有更高弹性的BMG（称为“断裂韧性”）对于BMG在承重应用中的广泛使用至关重要。但是由于玻璃过渡过程中存在许多未知因素，因此处理BMG的机会还很多。

研究人员关注虚构温度而不是常规温度，开发了一种程序，使他们可以控制材料转变为固体形式时的结构。可以在实验室中仔细调整。

领导该实验的研究生Jittisa Ketkaew说，能够将脆性玻璃变成易延展且能够轻松弯曲而不破裂的玻璃的能力几乎像“炼金术”。对于研究人员而言，最令人惊讶的是，逐渐变化的虚拟温度带来了断裂韧性的巨大变化。“我们不断重复和完善实验，直到我们接受结果为止，最终形成了理论上的描述，” Ketkaew说。“我们的发现表明，只需控制虚拟温度，您就可以使任何金属玻璃具有韧性或脆性。”

虽然这意味着从理论上讲所有脆性玻璃都可以延展，但并非所有BMG在冷却至室温时都可以轻松保持其延展状态。例如，镁和铁基玻璃需要非常高的冷却速度，目前很难实现。为了扩大实际上可以延展的金属玻璃的范围，Schroers和他的团队正在研究控制假想温度的替代策略。

出版物：Jittisa Ketkaew等人，“金属玻璃的断裂韧性揭示了机械玻璃的转变”，《自然通讯》第9卷，文章编号：3271 (2018)

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