金属也可以做成玻璃态？
来源： 中国科协、中科院携手“互联网 科普”平台，深耕科普内容创作 发布时间：2024-02-19
出品：科普中国
作者：姚冰楠、王军强（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）
监制：中国科普博览
什么是玻璃态材料？有人或许会说，不就是水杯、窗户嘛！没错，除此之外，我们常见的蜡烛、橡胶、光纤等也属于玻璃态材料。它们有什么特点呢？不同于原子整齐排列的晶体材料，这些材料具有长程无序、短程有序的原子结构。
晶体和玻璃的原子结构示意图，左图为晶体，右图为玻璃
（图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）
如果把晶体结构比作有序的队列，玻璃结构则更像是街市上的人群。无序孕育着无限可能，玻璃态材料具有一系列非常可贵的特性，各向同性，亚稳性、高强度、高弹性、耐腐蚀、耐磨性等。正是这些良好特性的存在，让它不仅在建筑、汽车、家庭用品等方面应用广泛，更是信息通讯、航空航天等尖端领域的关键材料。
上述提到的玻璃态材料都是非金属的，而日常生活中随处可见的金属材料能否被做成玻璃态材料呢？答案是肯定的，这种材料就是金属玻璃，也叫非晶合金。
不同形态的非晶合金
（图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）
一般情况下，我们可以将还未结晶的高温金属熔体，比如fe基合金、co基合金、fe-ni合金等，通过甩带的方式快速冷却，就得到了金属玻璃材料。它的微观结构不像常见的金属那样原子整齐排列，而是和玻璃一样，原子排列混乱无序。这种特殊的结构赋予了它许多特有的性能，如优异的软磁性能、力学性能、化学性能等，从而被应用到电力电子、信息通讯、交通运输、能源等各个领域。
金属玻璃具有较高的饱和磁感应强度、高磁导率和低矫顽力等，用它制成的电子元器件，结构更加小型化、轻量化，并且损耗小，对于实现节能减排具有重要意义。
电子元件
（图片来源：veer图库）
比如，相较于传统材料，金属玻璃被用在配电变压器上能够使空载损耗降低70-80%。不仅如此，金属玻璃还可以被制成铁芯应用到高速电机中。尤其是在中高频的应用场合中，传统硅钢电机铁芯损耗急剧升高，用金属玻璃代替后，一般可使电机运行效率提高至95%以上，甚至可达到98%，节能优势明显。
金属玻璃的应用领域——配电变压器
（图片来源：veer图库）
随着5g时代的到来，金属玻璃也发挥了重要作用。
将金属玻璃应用到无线充电技术中，利用它的高磁导率特性，可以显著提高充电功率。这是因为在材料的内部结构中，分散着无数个小磁体，我们把它叫作磁畴。
金属玻璃的磁畴结构比较规则，但晶体的磁畴结构不仅杂乱，而且方向不同。当外磁场作用时，晶体的晶界就像一堵墙，会阻碍磁畴的运动；金属玻璃由于没有晶界、位错等，容易在较大范围内形成规则排列的磁畴，对外磁场响应敏感，呈现高磁导率特征。
因此，在磁感应式无线充电中添加金属玻璃，就好比增加了一个聚光镜，使原本空间发散的磁感线更加集中，接收线圈就会获得更多的磁信号，充电更快，效率更高。
目前，金属玻璃已经成功应用到手机、智能手表和电动汽车中，成为了无线充电技术最关键的材料之一。
电动汽车无线充电
（图片来源：veer图库）
事实上，金属玻璃的应用前景并不止上述这些。正是因为它所具有的各种奇妙特性，这一神奇材料所展示出的“十八般武艺”才远远超乎了我们的想象。
金属玻璃具有高强度，如钴基块体金属玻璃，它的断裂强度高达6.0gpa，铁基金属玻璃的断裂强度可以达到3.6gpa，是一般结构钢的数倍。
金属玻璃具有高弹性，它的弹性极限是一般晶体合金的几倍到几十倍。用锆基金属玻璃制作高尔夫球杆的击球头，可以将接近99%的能量传递到球上，其击球距离比普通球杆远1.3倍。利用金属玻璃的高弹性还可以制作各种空间应用零部件，如作为航天器机械臂关节减速器使用的谐波齿轮、用于减震的弹性多孔金属橡胶等。
金属玻璃是一种功能材料，能够用来清洁水污染、用以储能和析氢，为解决环境污染和能源存储等问题提供了新思路。比如铁基、镁基、铝基等金属玻璃可以降解偶氮染料溶液，其褪色速率是相应晶态合金的几十甚至上千倍。金属玻璃通过去合金化可以制备纳米多孔复合结构，从而大幅提高离子和电子的输运特性，最终比电容增加，这种高储能密度纳米多孔材料有望作为柔性自支撑超级电容器电极获得应用。金属玻璃具有较高的析氢催化活性，是一种理想的独立式催化电极。
铝基非晶合金降解偶氮染料溶液效果图
（图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所p. p. wang, j. q. wang*, h. li, h. yang, j. t. huo, j. g. wang, c. chang, x. wang, r.w. li, g. wang**. fast decolorization of azo dyes in both alkaline and acidic solutions by al-based metallic glasses[j]. journal of alloys and compounds, 701(2017)759-767.）
金属玻璃是一种磁制冷材料，具有较宽的工作温区、大的磁熵变和强制冷能力。如开发的一种新型磁制冷材料可以实现从50k到室温的制冷，制冷能力大于1000jkg-1,在冰箱、冰柜、低温制冷设备、冷冻电镜等领域具有广阔的潜在应用价值。
金属玻璃磁制冷材料及其潜在应用领域示意图
（图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所j.q. feng, y.h. liu , j.h. sui, a.n. he, w.x. xia, w.h. wang, j.q. wang**, j.t. huo*. giant refrigerant capacity in gd-based amorphous/nanocrsytalline composite fibers[j]. materials today physics, 2021, 100528.）
金属玻璃的出现，对人类材料科学领域而言有着变革性的意义，未来它将在能源、生命健康、国防军工等领域继续大放异彩。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。唯有不懈奋斗，才是我国新材料不断向前发展的不竭动力和长久希望！
参考文献：
【1】汪卫华. 非晶态物质的本质和特性[j]. 物理学进展, 2013, 33(5): 177-351.
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