少年科学粉每日一题|材料界的超级“变形金刚”！非晶合金如何玩转“微成形”？

撰文／马将

本文选自《知识就是力量》杂志

“它可以根据环境随意变形, 受伤或中弹后伤口会像液体一样自动愈合”，这是科幻电影《终结者》中所塑造的机器人形象。那么，现实生活中有没有这样的材料呢？

有，它已被科学家成功研制出来。这就是非晶合金！美国科学家预言，它可能引起材料应用史上的第三次革命。

人类从第一次发现非晶合金（又称金属玻璃），到对它进行广泛而深入的研究，才只有几十年的时间。可以说，它是金属材料家族中非常年轻的成员。

非晶合金是由多种元素混合熔炼所得的金属合金。它有金属的不透明、导电、导热等性质，有明显的金属光泽；还有玻璃的高强度、硬度和内在本质结构特征。因此，它也叫金属玻璃或液态金属。

它既有金属的外表，又深藏着一颗玻璃的心，兼备了二者的优点，又克服了二者的弊病，被誉为敲不碎、砸不烂的“玻璃之王”。

直到20世纪60年代，杜威兹等美国科学家才制备出非晶合金。它这么晚才被发现，主因是制备它的方法很特殊。

金属高温熔化自然冷凝，得到的就是晶态的普通金属[原子排列如图(a)]。

如果人为加快熔体的冷却速度，如快到每秒10000摄氏度甚至更快，那得到的就是非晶态合金[原子排列如图(b)]。

所以，制备非晶合金的诀窍只有一个：冷得快！通过急速冷却法制得的非晶合金强度高、硬度高、耐磨、耐腐蚀性强、弹性好……此外，它最神奇之处则是有像玻璃或塑料一样一加热就会软化的热塑性。

非晶合金具有热塑性，它在特定温度下（此温度区间称为冷液相区），就能按人的需求随意变形，就像《终结者》中的机器人一样。

利用非晶合金的热塑性，我们可以像拉面条一样，将其越拉越长[见图(c)]；甚至可以像吹气球一样，将其“吹成”球状容器[见图(e)]。此外，它也能在开水中任意变形，能在其表面印制各种图案。

非晶合金独特的热塑性，不仅能对宏观尺度成形，更擅于进行微米到纳米级微观尺度的成形，它也被誉为“理想的微纳米成形材料”。

与传统的微加工成形材料和技术相比，它具有制备效率高（成形周期以秒为单位，通常小于半分钟）、成形精度好（尺寸误差在2‰左右）、表面质量优异（表面粗糙度在10纳米左右甚至更小）、工艺简单以及成本低等优点。

利用图(g)的方法，我们能在非晶合金表面制备各类微结构图案。如比人头发丝还细十倍的圆孔或长条状；小于半毫米的“LOVE”图案；线尺寸比细菌还小的小米手机logo阵列等。

随着微电子器件及精密机械的高速发展，非晶合金在当前结构、器件微型化的大趋势中，细微零件和产品的成形加工越来越重要。

英国剑桥大学著名学者A.L.Greer认为，非晶合金未来极有前景的应用之一，就是在微纳米成形加工中的应用。它优良的热塑性和成形性，能在其表面制备功能性微结构，生产一系列相关器件及产品。

如，在其表面压印出1/10头发丝大小的光栅结构，就得到光栅器件，这在精密分析仪器中应用前景广阔；在其表面制备出荷叶形的微纳米复合结构，就能实现类似荷叶的超疏水自清洁效果，这在防腐、防污、防水、防雪、石油运输、新型水上交通工具中应用前景广阔。

此外，它在医学、精密仪器，尤其是正在兴起的微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)领域具有十分广阔的应用前景。