美制造出单晶体结构金属玻璃

2011-6-20 10:03 来源: 中国科学院
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  一般来说,包括金属玻璃在内的玻璃态物质在内部结构上都处于无序状态,但据美国每日科学网6月17日报道,美国的一个研究小组日前通过高压对一个金属玻璃样本进行处理后,在其内部发现了一个呈高度有序状态的单晶体结构。该研究有助于人们加深对金属玻璃材料的认识,开创出一种新型金属玻璃的制备工艺。相关论文发表在6月17日出版的《科学》杂志上。

  虽然玻璃以及玻璃态物质的内部结构总体呈现出无序状态,但其相邻的原子间(一般不超过4个到5个原子间距)偶尔也会表现出一种暂时的有序性,这被称为“短程有序”,范围稍微大一点的被称为“中程有序”,再大一点类似于普通晶体的则被称为“长程有序”。目前绝大多数金属玻璃的结构都属于长程无序、短程有序,试图让金属玻璃接近于晶体,具有“长程有序”结构的实验也都以失败而告终。

  美国卡内基地球物理实验室研究员毛河光及其同事的一项研究却有望改变这一现状,让制造出具有长程有序结构的金属玻璃成为可能。

  实验中,研究人员将大多只有1厘米长、非常细的铈铝金属玻璃样本放在25千兆帕斯卡(标准大气压力的25万倍)的压力下进行处理。结果发现,所有的样本都在强大压力下发生了“脱玻化”,关闭了玻璃态并形成了面心立方晶体结构,而它们的原子就像乒乓球一样被塞入这个结构当中。样品被带回环境压力后,新结构仍然保持稳定。

  毛河光说,这一令人振奋的结果表明,对铈铝玻璃进行加压就可获得人们所需要的长程有序的“完美玻璃”,或许这种情况在其他金属玻璃中也存在。

  即将加入毛河光小组的浙江大学研究人员曾桥石(音译)说,高压技术或许提供了一种通过金属玻璃制造单晶材料的方法。此外,它还有效地将两种极端材料结合在了一起:高度有序的单晶和高度无序的玻璃。

  金属玻璃也被称为非晶态合金,是一种具有特殊性能的新型材料。这种材料比玻璃坚硬、比金属有弹性,兼具两者的优点又克服了它们的弊病。其较高的强度、良好的磁学性能和抗腐蚀能力使其在电子、航空航天、机械、微电子等领域有着广泛的应用价值。用它制成的变压器铁芯具有显著的节能效果,在电子设备中使用这种材料还能起到减轻设备重量、增加有效载荷、增强抗干扰能力的作用。此外,它还能用来制造高尔夫球杆、感应式防盗标签等。

  美国能源部能源前沿研究中心、中国国家自然科学基金会以及中国博士后科学基金会等单位为此项研究提供了资助。