“玻璃心”碎了？其实是“液态金属心”碎了

Original 蔡东民科学大院 2022-06-12

一款液态金属制作的吉他已经悄然问世，世界上第一款液态金属智能手机也早已进入市场。那么，液态金属到底是什么？它和我们今天的主角玻璃又有怎样的关系呢？

2016年，美国液态金属公司与马丁吉他公司达成了协议，将推出一款液态金属合金制成的吉他配件，并用液态金属注塑机来制造。（图片来源：Veer图库）

玻璃，是日常生活中随处可见的东西，它四四方方，质地坚硬，用力一敲就会碎掉，拥有典型固态的特征。但当我们把玻璃敲碎，把它的粉末拿到显微镜下观察，却会发现它的分子排列混乱无序，相比于金属、陶瓷、冰块这些分子排列整齐有序的固态而言，玻璃更像是液态。其实，准确来说，玻璃是玻璃态。

生活中随处可见的玻璃（图片来源：视觉中国）

玻璃态：温度骤降背后的秘密

当高温液体冷却到熔点的时，液体就会开始凝固，逐渐形成固体。凝固是液体中无序排列的分子逐渐过渡为整齐排列的状态的过程，就好像在操场上自由活动的学生，在听到老师喊集合的命令后，陆陆续续地排成一个个整齐的队伍一样。这种分子整齐堆积在一起的状态叫做晶态，处于晶态的物质叫做晶体。

那液体冷却一定会得到晶体么？当然不是。若液体冷却到了低于熔点温度却仍然不结晶，这时我们就说这种液体“过冷”了。如果你想亲身见识一下过冷液体，不妨尝试一个有趣的小实验：

首先准备一瓶未开封过的蒸馏水，然后小心翼翼地把它放进冰箱的急冻室里，注意整个过程不能有剧烈的震荡；另外再准备同样大小的瓶子，装满自来水，同时放进急冻室内急冻；几个小时后，打开冰箱门，发现自来水已经结冰了，蒸馏水依然是液体。这瓶未结冰的蒸馏水就是过冷液体。

这是为什么？液体在冷却过程需要有结晶“中心”才能结晶，自来水虽然经过过滤净化，但是依然会含有微量杂质，这些杂质形成了自来水结晶的“中心”。而蒸馏水是完全纯净的水，没有任何杂质，在冷却到0℃后，水分子没有依靠的“中心”，所以不会结冰，而是形成过冷水。但是只要你往里面投入一粒盐粒，过冷水就会以盐粒为中心开始结冰，最终全部形成冰块。

过冷水小实验（图片来源：https://www.iqiyi.com/w_19rwgabn19.html）

过冷液体很不稳定，如果在低温下放置时间长了，它也会自动地慢慢地变成冰块。但是这并不是我们想要得到的状态，为了防止过冷液体凝固，我们继续降低温度，当温度降低到某个临界点时，液体分子行动突然变得非常迟缓，液体的粘度剧烈增大，流动性也大大降低，从宏观上看，物体表现得就和固体一模一样，这时候的物质状态就是玻璃态。

水的粘度大概是~1cP（厘帕），食用油是~65cP，酸奶是~150cP，洗涤剂是~1500cP，粘度越大的流体，它的流动能力就越差。从这个角度理解，我们可以认为玻璃态的物质是粘度非常大的液体，大到它们甚至不会流动的程度。玻璃就是玻璃熔体经过过冷，然后再进行快速冷却得到的物体。

液体冷却过程可能形成晶体也可能形成玻璃态（图片来源：作者绘制）

玻璃可以是任何物质

过冷液体性质发生突变形成玻璃态的转变过程，叫做玻璃化转变，对应的温度称为玻璃化转变温度。

相信大部分人在初中时都做过固体熔化的实验。当时老师让学生分别加热海波和石蜡两种物质，观察并记录两者的温度曲线和熔化过程的形态。海波是一种晶体，它熔化是从部分固体开始的，熔化时温度保持不变，并且会出现固液两相共存的现象，直到所有固体熔化成液体温度才会继续上升；而石蜡熔化过程中温度一直上升，升温过程会整体一起从固体变成软乎乎、黏糊糊的东西，最后再变为澄清的液体，没有固定的熔点。

现在我们知道了，石蜡是一种玻璃态物质，加热时与其说它熔化了，不如说它“转变”了，而且转变过程没有确定的温度，是一个温度区间。从广义上来说，能够通过玻璃化转变成玻璃态的物质可以笼统地称为“玻璃”。

海波的熔化曲线和石蜡的玻璃化转变曲线（图片来源：http://cooco.net.cn/testdetail/198474/）

可以看出，玻璃化转变与熔化有着非常大的差异。实际上，玻璃化转变不属于热力学上的相变过程，无论是晶体熔化还是液体沸腾汽化，都需要吸收热量保持相变时温度不变，而玻璃化转变不会吸收潜热，变化时温度也不会维持不变，它是力学状态上的一种变化。对于玻璃化转变的实质，现在还不是十分清楚。玻璃态也不是热力学上的一种状态，因为与晶体、液体、气体这些稳定状态相比，玻璃是一种不稳定的状态，就和过冷水一样，它有自发向着晶态变化的倾向，但是这个自发趋势需要越过一段能垒，因此过程十分缓慢，短时间内难以观察得到。

一些年代久远的老房子，它们的窗户可能会变得不那么透明了，就是因为玻璃结晶了。如果是石英玻璃，在结晶之后会形成石英。石英玻璃是二氧化硅的玻璃态，石英则是它的结晶态。如果你将玻璃加热再缓慢冷却，形成的也是石英而不是玻璃，所以自然状态下很难观察到玻璃的存在。

晶体的能量更低，所以玻璃态物质会自发向晶态转变（图片来源：作者绘制）

金属玻璃：玻璃态应用的黄金时代

玻璃态物质虽然是一种亚稳态物质，在我们生活中却扮演者非常重要的角色。用来铺柏油马路的沥青，各种塑料制品，还有蜡烛、石蜡等常见的东西，都是玻璃态物质。理论上，只要冷却速度足够快，让冷却过程材料来不及结晶，所有液体都可以形成玻璃，金属也不例外。

金属玻璃，顾名思义，就是处于玻璃态的金属，也叫做非晶态金属，商品名叫液态金属。下面如果提到非晶金属、非晶合金，指的都是金属玻璃。像玻璃、沥青、塑料这些材料，因为构成它们的分子很大，在降低温度时粘度会迅速升高，容易形成玻璃态。但是金属的构成基本单元是原子，它们的移动能力很强，通常情况下都是以晶体形式出现，如果要让金属形成玻璃态，就需要非常快的冷却速率，普通的降温手段难以达到，所以金属玻璃的制备一直是困扰科学家们的难题。直到上世纪60年代，美国科学家发明了快速急冷法，金属玻璃的研究才真正进入了新时代。

晶态金属和金属玻璃的原子排列状态（图片来源：http://www.sohu.com/a/229957634_99934330）

那么金属玻璃究竟有何魅力可以让科学家们如此着迷呢？金属玻璃既是金属也是玻璃，它兼具金属和玻璃两种材料的优点。首先，它比普通钢材强度、硬度更高，屈服强度可达到1900MPa，比不锈钢高得多；而韧性又比玻璃好，断裂韧性高达55MPa·m^-1/2，是玻璃的几十倍；同时它弹性非常优异，将它应用在高尔夫球击球头时，能够把99%的能量传递到球身上，用同样的力度击打，球可以飞行得更远。

高尔夫球杆的击球头（图片来源：视觉中国）

目前，金属玻璃已经成功应用在棒球、滑雪、滑冰等体育项目上。在军事方面，高强、高韧的金属玻璃不但可以用于制作防弹衣、装甲，还可以用于制作反坦克的穿甲弹。

超人百毒不侵，可能是穿了金属玻璃的防弹衣（图片来源：视觉中国）

普通的金属通常是多晶材料，我们可以理解为由一颗颗小的晶体所构成的大晶体。这些小晶体叫做晶粒，晶粒与晶粒交界的界面称为晶面。晶面处所含能量比较高，容易富集杂质原子，比晶粒的内部更加容易发生氧化和腐蚀。而金属玻璃中的原子以无规则形态排列，没有晶粒和晶界，这意味着它长期泡在酸、碱、盐水等环境下不容易被腐蚀，也就是说不会那么容易“生锈”了，寿命也就更长了。如果将它应用在化工、海水等易腐蚀环境下，效果肯定棒棒的。

目前，已有部分非晶合金涂层成功地应用在石油行业的钻具、油气输送管道，电力行业的锅炉、循环泵，以及军事上轮船、舰艇等领域。另外，金属玻璃相比于晶态金属，原子排列比较疏松，密度小，而且耐磨擦性能优异，用它制成手机外壳，可以使得手机更轻便、更结实、更耐磨损、更耐摔。

非晶合金涂层应用在海洋舰艇的甲板、关键零部件上（图片来源：http://www.vccoo.com/v/1abc3b）

全球首款液态金属手机（图片来源：https://mobile.pconline.com.cn/666/6666623.html）

金属玻璃最成熟最广泛的应用在于它的磁性方面。铁、钴、镍基的金属玻璃具有非常良好的软磁性，是电机、变压器、电感器、无线电频率识别器等电力、电子产品的理想铁芯材料。

最有意思的是，金属玻璃在加热情况下可以变成具有流动性的粘稠液体，这样我们可以像吹制玻璃仪器一样，将金属玻璃吹制成各种形状的制品。总之，金属玻璃具有许多优异的特点，尽管现在大部分仍处于开发阶段，但是前景十分诱人。

作者单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

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