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珠子，器皿，镜片和窗户。
目前，金属玻璃完全由金属原子制成，正在开发用于生物医学应用，例如超尖锐的外科手术针，支架和人造关节或植入物，因为合金可以是超硬的，超强的，非常光滑并且耐受腐蚀。
虽然试错法和科学研究的结合有助于随着时间的推移完善玻璃制造工艺，但控制原子水平的金属玻璃的创造仍然是一个不确定的努力，很大程度上取决于长期的经验和直觉。
Paul Voyles说，"我们的工作是通过增加更多数据来建立基本的理解。"
威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系教授Beckwith-Bascom，Voyles以及麦迪逊和耶鲁大学的合作者，对于随着材料从液态玻璃转变为固态玻璃中，不断移动的原子的变化有了更深刻的理解。
他们描述了他们观察到的这些原子（2018年3月19日发表在Nature Communications杂志上)如何随着时间在不同温度下重新排列。这个发现可以为几种相互竞争的理论增加急需的实验清晰度，即关于这一过程如何发生，称为玻璃化转变。它还可以帮助减少开发新型金属玻璃材料的时间和成本，并为制造商提供更深入的工艺设计见解。
一个挑战是，随着金属从熔融液体转变为固体，它们倾向于形成有序的，周期性重复的称为晶体的原子结构。相反，玻璃材料具有高度无序的原子结构。在制造高性能金属玻璃时，听起来就像在材料冷却时防止金属原子形成晶体一样简单，但实际上，它依赖于抽奖的运气。
Voyles 表示："制造玻璃的过程和使其晶化是彼此竞争的过程，赢得胜利的过程决定了最终产物。"他的工作得到了 National 科学基金会和美国能源部支持。
在液体中，所有的原子始终在相互移动。当熔融金属冷却并开始向固体过渡时，其原子减速并最终停止移动。
这是一个复杂的原子级舞蹈，科学家们仍然在深入了解这个舞蹈。凭借他们在电子显微镜和数据分析方面的专业知识，Voyles 和他的合作者已经测量了一个原子平均需要多长时间才能获得或失去近邻原子，因为它处在熔融液体中波动的环境。
"一个原子被一堆其它原子包围着，"沃伊斯说。 "在温度非常高的时候，它们会在每皮秒（1 T 分之一秒）内发生反弹，它们会有一套新的邻居。随着温度的降低，它们会与邻居呆的越来越久，直到它们永久地粘在一起。"
在高温下，原子都快速移动。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一起慢下来，直到它们停止移动并且材料变成一块坚实的玻璃。
"我们现在已经通过实验证明，这不是发生了什么，"沃伊斯说。
相反，他说，他的团队的实验证实，原子锁定到位的时间差异很大 - 至少是一个数量级 - 在同一液体内不同位置。
"一些纳米尺寸的区域首先变得"黏着"，并且长时间保持其近邻，而粘性区域之间的原子移动的更快，"他说。 "它们继续比缓慢部分波动快10倍，然后一切都变慢，但粘性部分也变得更大，直到粘性部分"获胜"，材料变成固体。"
现在，他和他的合作者正在努力理解缓慢和快速部分之间的原子排列有怎样的不同。
"这是这个拼图的下一个大的缺失，"他说。
Voyles说，这一进展提供了有关基本过程的宝贵信息，从玻璃到塑料，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。
"这真是基础科学，"他说。 "但是，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级别运转的，这使我们有机会建立控制去制造我们想要的玻璃，而不是靠运气去制备。 "
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：yang元祐
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