为什么微小的金属液滴需要更长的时间才能凝固成玻璃

大多数人听到“眼镜”这个词可能会想到水杯或矫正眼镜。几乎没有人会想到金属。但金属玻璃，也称为“非晶金属”，在科学研究和技术中发挥着越来越重要的作用。当金属熔体冷却得如此之快以至于它们在几分之一秒内凝固时，它们在原子水平上仍然是混乱和无序的。如果缓慢冷却，原子将有时间重新排列并形成有序的晶格结构，但快速冷却意味着无序液态熔体中的原子无法足够快地重新排列，并且基本上被冻结在适当的位置。这种原子无序性赋予这些“非平衡”金属玻璃特性，这些特性与有序晶体合金的特性截然不同。

伊莎贝拉·加利诺多年来一直在研究“玻璃化转变”期间原子水平上发生的情况——从液态到固态玻璃相的突然转变。几年前，材料科学家加里诺(Galino)能够消除她所在领域广泛接受的范式。传统观点认为，当金属熔体经历玻璃化转变时，材料会在获得固态特性的同时失去其液态特性。加利诺表明事实并非如此，并根据所涉及的原子的不同尺寸解释了这种行为。当大原子已经冻结并且基本上不动时，较小的原子仍然可以四处移动，因此仍然可以赋予合金液体特性。只有当较小的原子最终冻结时，

这一事实对于理解 Isabella Gallino 博士、她的同事 Ralf Busch 教授及其几位博士生(均在萨尔大学)与来自西班牙圣塞巴斯蒂安材料物理中心的 Daniele Cangialosi 合作进行的最新观察结果至关重要作为来自的同事。实验中的金属滴越小，它“抵抗”冻结成玻璃态的时间就越长。研究小组表明，对于尺寸小于十微米的样品，这一点尤其明显。简而言之，较小的合金样品需要较低的温度才能凝固形成金属玻璃。10.8 微米的液滴冻结形成金属玻璃的温度比 1.8 微米的液滴冻结形成金属玻璃的温度高出约 40 开氏度。3微米的液滴凝固。拉尔夫·布希 (Ralf Busch) 将这一发现总结如下：“如果我们开始将材料从低温加热，较小的非晶态合金碎片将比较大的非晶态合金碎片更早融化。” 该材料再次变成“液体”，并失去其作为固体金属玻璃的特性。然而，当样本尺寸超过约 10 微米时，观察到的效果急剧下降。高于此阈值，玻璃形成材料的行为方式不存在与尺寸相关的差异。玻璃化转变区的冷冻和解冻过程使用 Flash DSC 芯片量热仪进行测量，该仪器允许在非常快速冷却和加热的条件下研究少量样品。“如果我们开始从低温开始加热材料，较小的非晶合金碎片将比较大的非晶合金碎片更早融化。” 该材料再次变成“液体”，并失去其作为固体金属玻璃的特性。然而，当样本尺寸超过约 10 微米时，观察到的效果急剧下降。高于此阈值，玻璃形成材料的行为方式不存在与尺寸相关的差异。玻璃化转变区的冷冻和解冻过程使用 Flash DSC 芯片量热仪进行测量，该仪器允许在非常快速冷却和加热的条件下研究少量样品。“如果我们开始从低温开始加热材料，较小的非晶合金碎片将比较大的非晶合金碎片更早融化。” 该材料再次变成“液体”，并失去其作为固体金属玻璃的特性。然而，当样本尺寸超过约 10 微米时，观察到的效果急剧下降。高于此阈值，玻璃形成材料的行为方式不存在与尺寸相关的差异。玻璃化转变区的冷冻和解冻过程使用 Flash DSC 芯片量热仪进行测量，该仪器允许在非常快速冷却和加热的条件下研究少量样品。这种材料再次变成“液体”，并失去其作为固体金属玻璃所具有的特性。然而，当样本尺寸超过约 10 微米时，观察到的效果急剧下降。高于此阈值，玻璃形成材料的行为方式不存在与尺寸相关的差异。玻璃化转变区的冷冻和解冻过程使用 Flash DSC 芯片量热仪进行测量，该仪器允许在非常快速冷却和加热的条件下研究少量样品。这种材料再次变成“液体”，并失去其作为固体金属玻璃所具有的特性。然而，当样本尺寸超过约 10 微米时，观察到的效果急剧下降。高于此阈值，玻璃形成材料的行为方式不存在与尺寸相关的差异。玻璃化转变区的冷冻和解冻过程使用 Flash DSC 芯片量热仪进行测量，该仪器允许在非常快速冷却和加热的条件下研究少量样品。

“我们观察到的效应是普遍存在的，”伊莎贝拉·加利诺在评论她的发现的深远影响时说道。这种现象不仅适用于金属合金，而且适用于凝固成玻璃而不是结晶的所有其他材料。有大量已知的物质在凝聚状态下形成无定形而不是有序的晶体结构。即使是水，在地球上处于冰冻状态时具有规则的晶体结构，但在更广阔的宇宙中却是玻璃状或无定形的，例如在温度低于 -150 摄氏度的彗星中发现的水。从科学的角度来看，玻璃化过程——从液态到非晶态固态的玻璃化转变——具有根本意义。

这就是为什么 Isabella Gallino、Ralf Busch 及其国际同事的观察结果在半导体行业或复合材料领域等许多领域引起了极大的兴趣。这些行业中的许多材料在微米级别上相互关联。感谢加利诺、布希和其他人的工作，我们现在知道，这种规模的材料越小，变得“无序”的速度就越快，从而失去其特性。因此，材料科学家将来将能够利用这些信息来具体影响材料的耐久性。