2006年1月31日
利用最先进的实验室技术和强大的计算机模拟，约翰霍普金斯大学研究人员发现了原子是如何包裹在被称为金属玻璃的特殊材料中的。亚博网站下载他们的发现将有助于科学家更好地理解这种材料的原子尺度结构，这种材料被用于制造运动器材、手机外壳、穿甲弹和其他产品。app亚博体育
这一发现标志着一项为期两年的研究项目的高潮，该发现发表在1月26日的《科学》杂志上自然．这项工作代表了一个重大的进步，因为用于研究传统晶体金属的工具与金属玻璃的效果不太好，而对这种材料的更好的理解是迫切需要的。
“原子是如何在金属玻璃中包裹自己的，这一直是个谜，”材料科学与工程系的副研究科学家、《自然》杂志那篇论文的第一作者霍华德·盛(Howard Sheng)说。亚博网站下载亚博老虎机网登录“我们开始破译这种封装信息，最终我们能够清楚地描述原子在金属玻璃中的排列方式。”
在传统金属中，原子结晶成统一的三维模式，即晶格。但大约半个世纪前，材料科学家学会了如何制造玻璃金属，方法是快亚博网站下载速冷却金属液体，使内部原子构型在原子有机会排列成晶格模式之前就冻结了。这种新材料被描述为无定形的，意思是它的原子似乎以不规则的方式排列，没有晶体材料的长程有序特征。亚博网站下载这种非晶态原子结构在其他材料中很常见，如窗玻璃，但在金属中很少出现。亚博网站下载
与窗玻璃不同，金属玻璃不透明，也不容易破碎。许多传统金属由于晶格中的缺陷(位错)容易弯曲变形。但金属玻璃没有晶格，也没有这样的位错，它们无序的原子排列使它们具有独特的机械和磁性。金属玻璃通常由两种或两种以上的金属制成，具有很高的强度、较大的弹性应变和韧性。另一个优点是，像较弱的塑料材料一样，它们可以很容易地被加热、软化和塑造成复杂的形状。亚博网站下载
尽管金属玻璃具有巨大的潜力，但由于缺乏关于这种材料的基础科学知识，制造它们的研究人员一直受到阻碍。亚博网站下载亚博老虎机网登录强大的透射电子显微镜可以用来观察传统金属中排列的原子。但当这些仪器用于金属玻璃时，得到的图像是一个分散的原子阵列，没有形成明显的图案。由于人们对原子在金属玻璃中的排列方式知之甚少，许多基础材料科学问题，如金属玻璃是如何变形的，仍未得到解决。亚博网站下载亚博老虎机网登录
为了填补这一知识空白，由约翰霍普金斯大学材料科学与工程教授Evan Ma领导的一个团队推出了一种双管齐下的方法，来解决金属玻璃原子是如何排列的之谜。亚博网站下载亚博老虎机网登录“我们的目标是推进对金属玻璃中原子堆积的理解，”马说。“这是一项艰巨的任务，因为这些非晶态结构缺乏长程有序。然而，这是非常重要的，因为结构决定了性能。”
研究人员制作了一些二元金属玻璃样本，每个样本都由两种元素组成，然后将它们置于高科技的实验室测试中，以收集关于样本的三维原子构型的信息。其中一些实验是在橡树岭和布鲁克海文国家实验室进行的，涉及x射线衍射和扩展x射线吸收精细结构数据，这些数据是在同步加速器x射线源上采集的。其他的分析，利用一种叫做反向蒙特卡罗模拟的方法，是在约翰霍普金斯大学的计算机集群中进行的。
独立于这些实验室测试，研究人员利用国家能源研究科学计算中心提供的强大计算机资源进行虚拟实验，旨在揭示金属玻璃原子的排列。实验室实验和计算机试验的结果相互验证，证实了研究人员的结论。
他们的主要发现之一是，金属玻璃原子不会以完全随机的方式排列。相反，由7到15个原子组成的群倾向于围绕一个中心原子排列，形成称为Kasper多面体的三维形状。研究人员说，在晶体金属中也发现了类似的形状，但在金属玻璃中，这些多面体是扭曲的，并且不会排列成长行。在金属玻璃中，多面体以独特的方式连接在一起，形成纳米级的小团簇。在期刊文章中，这些结构特征被描述为化学和拓扑短程序和中程序。
约翰霍普金斯大学的工程师们还在金属玻璃簇中如何形成低密度空间方面取得了重要发现。这些“空洞”影响材料作为玻璃的形式和它将拥有的机械性能。
沈教授是这篇文章的主要作者，他相信这些发现将导致对金属玻璃理解的重大进展。“我们的发现，”他说，“应该让制造金属玻璃的人更接近智能设计技术，开发具有特定产品所需的精确机械特性的材料。”亚博网站下载这些发现也促进了我们对材料科学的总体理解。”亚博网站下载亚博老虎机网登录
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