弯曲自如而不会断裂，强度却能达到钛金的两倍：美国加州理工学院科学家日前成功开发出了一种新型玻璃合金，研究结果发表在2月28日的《自然》（Nature）杂志上。文章第一作者、该校材料科学系研究生Douglas Hofmann声称，他们研制的玻璃合金不但具有上述优良特性，而且价格低廉。

 

玻璃合金(metallic glass)又称液态金属(Liquid metal)，由于其良好的硬度和弹性，在几年前投放市场并用于高尔夫球棍及棒球球棒的制造。不过，由于它比较脆，无法承受过大的力。

 

实际上，玻璃合金同普通玻璃一样，并无晶体结构。不同之处在于其中加入了锆、钛、铜、镍、铂等多种金属，是诸多元素的无规排列形成的合金。尽管金属容易产生永久性形变，但玻璃合金在形变被释放后可以恢复到初始状况，不过，这也是有限度的。这正如一根松紧带，如果拉得太长以至于超过限度，就会“啪”的一声断掉。Hofmann表示，此前，大块玻璃合金经不起弯折，否则会碎裂，因此不要试图使用这种材料建造桥梁，料不到哪一天会出现桥毁人亡的惨剧！

 

不过，从玻璃合金出现那一天起，科学家就一直在孜孜不倦地寻找将它应用到实际结构上去的办法。加州理工教授William Johnson等人二十年来发现，在张力作用下，玻璃合金的韧性（能发生非破坏性形变的能力）与其中的一种树枝状晶体（dendrite）有关，新研究就是在这一基础上进行的。

 

事实上，玻璃合金的弯曲行为取决于其剪切带（shear bands，集中剪切变形的带状区域,在该区内经受强烈的集中剪切,而带外的变形相对较小）的形成和扩大过程。而属于晶体的dendrite能填充剪切带并阻止其扩大，从而为玻璃合金提供足够的韧性。

 

在最新研究中，研究人员首先用不含dendrite的玻璃合金做弯折试验，发现剪切带刚形成时只有10纳米宽，然后迅速蔓延扩大，直到横切1毫米厚的整块玻璃合金；不过在更薄的玻璃合金中，这些剪切带不再扩大，趋于稳定。这就解释了大块玻璃合金经不起弯折的原因。

 

Hofmann说：“弯折试验告诉我们，需要在其中添加dendrite颗粒以阻止剪切带扩大。所需添加的dendrite大小正比于刚形成时的剪切带的大小。”也就是说，所添加的dendrite在几百微米的量级（即10万纳米的量级），在这个纳米技术炙手可热的时代，Hofmann对此大感惊讶。另外，研究人员还注意到，这些dendrite需比周围玻璃合金软一些才符合要求。

 

Hofmann说：“我们用来做试验的玻璃合金，是通常被认为的脆性材料。试验证实，通过预先设计好的合成手段，我们可以让它达到任何韧度值。韧性越强，就越难将它掰断。材料的延展性和韧性，已经尽在掌握。”

 

由于此种新型玻璃合金的高强度、高韧度和低密度等优良特性，它可以运用于任何要用到钛金的地方；而在航空航天技术中，这些特性对于减轻质量，节约燃油是至关重要的。（科学网 崔月雷/编译）

 

（《自然》（Nature），doi:10.1038/nature06598，Douglas C. Hofmann, William L. Johnson）