原子集体迁移和原子个体迁移之间的过渡

几个世纪以来，冶金学家一直在广泛研究金属如何变形或对外部应力作出反应。当涉及到传统金属——原子排列整齐的晶体金属——这一过程就相当容易理解了。但对于金属玻璃和其他非晶态金属的变形，简单的答案一直难以捉摸，特别是当涉及到纳米尺度上的工作原理时。

在一项新的研究中，Jan Schroers教授研究了这些金属在非常小的尺寸下的物理特性，这些见解可能会导致制造金属玻璃的新方法。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

金属玻璃具有金属的强度，但具有塑料的柔韧性，正在开发用于广泛应用的材料:航空航天，空间，机器人，消费电子产品，体育用品和生物医学用途。

这些材料的特性归功于它们独特的原子结构:当金属玻璃从液体冷却到固体时，它们的原子会随机排列，而不会像传统金属那样结晶。但是防止原子结晶是一件棘手的事情，对其工作原理的任何深入了解都可能对更有效地生产金属玻璃大有帮助。

该研究的作者写道:“为了推进非晶金属的制造和使用，需要对其尺寸和温度相关变形有一个基本而完整的了解。”

在过去的几十年里，人们已经确定，在宏观尺度上，原子在允许流动的温度下变形时，会集体移动。

“它们以一种集体的方式变形，就像蜂蜜一样，”机械工程和材料科学的罗伯特·希金教授施罗德说。“你可以看到所有这些原子都在一起集体运动。”

但是当纳米尺寸的样品变形时会发生什么呢?施罗德实验室决定用软态的锆铜和其他金属玻璃样品来找出答案。

“我实验室的研究生Naijia Liu创造了越来越小的样品，在某种程度上，他可以证明它们不再那样变形，”Schroers说。在100纳米或更小的样本尺寸上，事情开始偏离标准规则。

他们发现，在这种尺寸下，如果原子继续集体移动，样品的化学成分将永远不会改变。相反，发生的是原子单独运动，在某一点上，金属开始迅速变形。

“所以如果你变得越来越小，那么原子就不再流动了。它们所做的是单独在表面上旅行。”

这很重要，因为原子在晶体材料表面的移动速度更快。所以，样品越小，材料在表面上或接近表面的比例就越大。为了变形，原子通过使用这样一个快速的表面路径采取额外的距离，因为它允许一般更快的变形。这是对一个仍有许多未解之谜的物理领域的洞察。

“我们基本上知道晶体的一切，我们基本上知道气体的一切，”Schroers说。“但在科学界，我们对液态并不了解。物体运动太快，所以观察方法受到挑战，而且由于液体中的顺序是非周期性的，我们无法将问题缩小到更小的单位。”

Schroers的实验室目前专注于哪种合金最有希望通过这种方法制造金属玻璃。“合金应该包含相似的元素，但不能太相似，否则它们生长的模板就不能形成玻璃，”Schroers说。

Schroers说，除了他们新发现的科学影响外，这项研究在技术层面上也具有重要意义。与目前通过快速冷却避免结晶的技术不同，这些发现为研究人员提供了一种缓慢生长亚稳态材料的新方法。这些材料包括金属玻璃，甚至其他以前无法用其他技术制造的材料。