近日，一個歐洲研究團隊利用歐洲同步加速器的X射線研究了金屬玻璃的形成過程，從微觀角度揭示了合金從液體到固體的“玻璃化轉(zhuǎn)變”過程。這一認識上的飛躍將給世界金屬玻璃及其他玻璃材料研究帶來重要影響。
金屬玻璃（又稱非晶合金）是在快速（例如不到1秒）冷卻時不結(jié)晶的合金。與緩慢冷卻并結(jié)晶的傳統(tǒng)合金不一樣，金屬玻璃的原子不形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，而是大致保持其在熔融體中的位置。這使金屬玻璃既像鋼一樣堅固，又像塑料一樣具有彈性。自1960年問世以來，因其高強度、大彈性極限、優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕、耐輻射及軟磁等性能，在國防、電子信息、能源高技術(shù)等各領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
然而在這種“玻璃化轉(zhuǎn)變”中，原子層面究竟發(fā)生了什么？迄今尚未完全弄清楚。過去的幾十年中，了解金屬玻璃的形成方式一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。類似研究在10多年前曾由于技術(shù)原因失敗過。
最近，由德國薩爾大學(xué)材料學(xué)家伊莎貝拉·加利諾博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在這方面取得重大進展。加利諾團隊與西班牙的沙維爾·莫尼爾博士和丹尼爾·坎賈洛西博士、法國的比阿特麗斯·魯塔博士一起進行了前所未有的詳細研究。他們利用位于法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置（ESRF）的高能X射線，研究一種特殊的金合金的過冷熔體，特別在其從大約150℃（液體）“凍結(jié)”到大約115℃（玻璃態(tài)）這一過程。他們用了新的“快速量熱儀”研究冷凍過程本身，終于取得成功，從合金原子層面揭示了其遷移率是如何降低的。
加利諾博士說，人們一直認為，隨著原子遷移率的降低，液體的特性相應(yīng)下降，而固體的特性穩(wěn)步增長，但這種一對一的關(guān)聯(lián)并不完全正確。因為合金熔體由大小各異的不同原子組成。雖然像金原子這樣的大原子已經(jīng)被凍結(jié)，但是像硅這樣的小原子仍然可以移動。這種集體流動意味著在這個時間點仍然存在遷移率，因此材料仍然表現(xiàn)得像液體。只有當較小的原子也凍結(jié)時，液體才最終固化成玻璃。
研究人員對“玻璃化轉(zhuǎn)變”這一關(guān)鍵過程的認識，有助于創(chuàng)建新材料或了解現(xiàn)有材料的特性。除了金屬玻璃，它還會促進世界范圍內(nèi)其他玻璃材料（例如聚合物和離子液體）的研究。相關(guān)成果在線發(fā)表于近日的《科學(xué)進展》上。