金屬玻璃中的原子分形

【中玻網(wǎng)】金屬玻璃是非常堅韌而且有彈性的材料，然而關(guān)于金屬玻璃微觀結(jié)構(gòu)的研究一直存在爭論。近日，研究者在兩三個原子直徑尺度下觀察金屬玻璃并提出了金屬玻璃內(nèi)部原子分形的理論，成功的解釋了金屬玻璃宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。
　　
　　金屬玻璃是非常堅韌而且有彈性的材料，用肉眼看來與不銹鋼是相同的。但金屬玻璃與普通金屬的區(qū)別在于，金屬玻璃是無定形的，缺乏有序晶體狀原子排列。這種隨機分布的原子，是所有的玻璃材料（如窗玻璃和餐具）的主特性，并且給予金屬玻璃獨特的機械性能和不可預(yù)知的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料科學(xué)和機械工程與應(yīng)用科學(xué)部的教授朱莉婭.格里爾和加州理工學(xué)院實驗室的研究人員已經(jīng)證明金屬玻璃確實有一個原子水平結(jié)構(gòu)（如果將它足夠的放大），盡管它不同于金屬晶體的特性。
　　
　　如果你在大于幾個原子的直徑的尺度下觀察金屬玻璃，你會發(fā)現(xiàn)緊密排布蓬亂的原子簇。格里爾組在新發(fā)表的文中指出，原子簇內(nèi)部有一種可預(yù)測的直徑大約為兩到三個原子直徑的排列結(jié)構(gòu)稱為分形。
　　
　　分形是不同尺度自相似性形成的花樣，并且分形可以很自然的發(fā)生。該小組做了模仿模擬和實驗來探測銅，鋯和鋁金屬玻璃合金的原子結(jié)構(gòu)。例如金剛石或金這些晶體結(jié)構(gòu)的原子或分子被排列成有序晶格圖案。因此，圍繞在結(jié)晶材料的原子的局部鄰域與其他地方中的材料是相同的。
　　
　　在非晶態(tài)金屬中，材料內(nèi)的每個位置看起來不一樣。然而格里爾和她的同事發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你放大到三個原子直徑看原子之時出現(xiàn)了不一樣的結(jié)果。在這種尺度上，無論在材料的哪個位置，同樣的分形圖案都存在。陳說，“在組成金屬玻璃的原子集群中，原子排列成一種特殊的稱為滲流的分形圖案。”
　　
　　盡管其他科學(xué)家先前已經(jīng)猜測，金屬玻璃中的原子分形地分布。然而，這產(chǎn)生一個明顯的矛盾：當(dāng)原子分形地分布時，在它們之間應(yīng)該有空間。但是，金屬玻璃就像普通的金屬是完全致密的，這意味著他們在空白區(qū)域缺乏顯著的空間。
　　
　　“我們小組已經(jīng)通過表明原子只分形地排布達到一定規(guī)模解決了這一矛盾。”格里爾說。“比兩三個原子直徑尺度大，原子簇隨機和緊湊排布，組成了一個完全致密的材料，就像一個普通的金屬。因此，我們可以得到一些既分形又完全致密的東西。”
　　
　　這一發(fā)現(xiàn)是與金屬玻璃相關(guān)的，但該小組關(guān)于分形分布的原子結(jié)構(gòu)結(jié)論可以應(yīng)用到任何無定形材料，如在窗玻璃上的玻璃或冰凍口香糖。“非晶態(tài)金屬可以表現(xiàn)出獨特的特性，如不同尋常的強度和彈性。”陳說，“現(xiàn)在我們知道這些材料的結(jié)構(gòu)，我們就可以開始研究它們的原子級排布是如何影響他們宏觀上的性能。”