制作玻璃:液体到玻璃的过渡过程变得清晰

作者:admin

2018-07-27 14:37

  【博科园-科学科普(关注“博科园”看更多)】数千年来,人们使用熔融的沙子和其他成分来制造玻璃和时尚的珠子、容器、透镜和窗户。这些天,金属玻璃——完全由金属原子构成——正在被开发用于生物医学应用,如超锋利的外科针、支架、人工关节或植入物,因为这些合金可以超硬、特别强、非常光滑、耐腐蚀。虽然试验和错误的结合和科学研究有助于改进玻璃制造过程,但在原子水平上控制金属玻璃的创造仍然是一种不精确的努力,这在很大程度上是由长期的经验和直觉所决定的。Paul Voyles说:我们的工作是通过添加更多的数据来建立基本的理解。Beckwith-Bascom教授在威斯康星-麦迪逊大学的材料科学与工程,Voyles和合作者在麦迪逊和耶鲁大学取得了重要的实验进展的了解,不断移动的时间和地点在熔融金属原子“锁”在材料转换从液体到固体玻璃。

  他们在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上描述了他们观察到的这些原子如何在不同温度下重新排列(2018年3月19日)。这是一种知识,它可以为一些相互竞争的理论提供急需的实验清晰性,即所谓的玻璃转换过程。它还可以帮助减少与开发新金属玻璃材料相关的时间和成本,并为制造商提供更深入的工艺设计洞察。一个处理的挑战是,当金属从熔融的液体转变为固体时,它们倾向于形成有序的、经常重复的原子结构,称为晶体。相比之下,玻璃材料具有高度无序的原子结构。虽然制造高性能金属玻璃听起来很简单,就像防止金属原子在物质冷却时形成晶体一样,但实际上,它在某种程度上依赖于抽奖的运气的过程,使玻璃的过程使水晶互相竞争和一个获胜——发生的速度决定了最终产品。

  在液体中,所有的原子在任何时候都在相互移动。当熔化的金属冷却,并开始向固体转变时,它的原子会减慢并最终停止运动。这是一个复杂的原子级舞蹈,科学家们还在研究。利用他们在电子显微镜和数据分析方面的专业知识,Voyles和他的合作者们测量了一个原子在熔化的液体中随环境波动而获得或失去邻近原子的平均时间。原子被一堆其他原子包围着,在真正的高温下,它们会反弹,每一秒(1万亿分之一秒),就会有一组新的邻居。”随着温度的降低,他们会和邻居呆得越来越久,直到永远粘在一起。在高温下,原子都运动得很快。然后当液体冷却时,它们移动得更慢;一个简单的描述可能是所有的原子以相同的速度在一起慢下来,直到它们停止运动,材料变成了一个固体玻璃。我们现在已经通过实验证明,这不是发生的事情。

  相反,研究小组的实验证实,原子锁定位置的时间变化很大——至少是一个数量级——从一个地方到另一个地方。一些纳米级的区域首先会变得‘粘稠’,并且会在很长一段时间内保持住它们的邻居,而在粘稠的部分之间移动的速度要快得多。它们的波动速度是慢速的10倍,然后一切都变慢了,但粘性部件也会变大,直到粘性部件‘赢’,材料变成固体。现在他和他的合作者正在研究如何在缓慢和快速的部分之间进行原子排列。这是拼图的下一个重大缺憾。这一进展提供了有关基本过程的宝贵信息,从玻璃到塑料瓶,再到药物制剂,以及许多其他的玻璃材料,从液体到固体的转变。这是真正的基础科学,但对应用程序的最终潜在影响是,如果我们真正理解这是如何在原子层面上运行的,那就给了我们建立控制的机会,让我们能从我们想要的东西中制造出眼镜,而不是在我们幸运的时候戴上眼镜。

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