几个世纪以来，冶金学家一直在广泛研究金属如何变形或响应外部应力的问题。当谈到传统金属时——原子排列整齐的晶体金属——这个过程是相当容易理解的。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，特别是当涉及到事物在纳米尺度上如何工作时。

在一项新的研究中，JanSchroers教授研究了这些金属在非常小尺寸下的物理特性，这些见解可能会带来制造金属玻璃的新方法。研究结果发表在《自然通讯》上。

金属玻璃具有金属的强度和塑料的柔韧性，正在开发用于广泛的应用：航空航天、太空、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其独特的原子结构：当金属玻璃从液体冷却到固体时，它们的原子会随机排列，不会像传统金属那样结晶。但防止原子结晶是很棘手的，任何对其工作原理的深入了解都可能对提高金属玻璃的生产效率大有帮助。

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

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。

“它们以集体方式变形，几乎就像蜂蜜一样，”机械工程和材料科学的罗伯特希金教授施罗德说。“你会看到所有这些原子都集体移动。”

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

“我实验室的研究生刘乃佳制作了越来越小的样品，在某些时候他可以证明它们不再那样变形，”施罗德说。当样本尺寸为100纳米或更小时，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，样品的化学成分永远不会改变。相反，原子单独移动，在某一时刻，金属开始迅速变形。

“因此，如果你变得越来越小，那么原子就不再流动。相反，它们会在表面上单独移动。”

这很重要，因为众所周知，原子在晶体材料表面上移动得更快。因此，样品越小，表面上或靠近表面的材料比例就越大。为了变形，原子通过使用如此快速的表面路径来采取额外的距离，因为它允许通常更快的变形。这是对仍然有许多悬而未决的问题的物理学领域的洞察。

“我们基本上了解有关晶体的一切，我们基本上了解有关气体的一切，”施罗德说。“但在科学界，我们对液体状态不太了解。事物移动得太快，因此观察方法受到挑战，而且由于液体中的顺序是非周期性的，我们无法将问题简化为更小的单位”。

施罗德的实验室目前重点研究哪些合金最有希望通过这种方法制造金属玻璃。施罗德说：“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无法形成玻璃。”

施罗德说，除了新发现的科学影响之外，这项研究在技术层面也具有重要意义。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，而不是当前通过快速冷却来避免结晶的技术。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。

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