液體—玻璃轉變

數千年來，人們使用熔融的沙子和其他成分來製造玻璃和時尚珠子，器皿，鏡片和窗戶。

目前，金屬玻璃完全由金屬原子製成，正在開發用於生物醫學應用，例如超尖銳的外科手術針，支架和人造關節或植入物，因為合金可以是超硬的，超強的，非常光滑並且耐受腐蝕。

雖然試錯法和科學研究的結合有助於隨著時間的推移完善玻璃製造工藝，但控制原子水平的金屬玻璃的創造仍然是一個不確定的努力，很大程度上取決於長期的經驗和直覺。

Paul Voyles說，「我們的工作是通過增加更多數據來建立基本的理解。」

威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程系教授Beckwith-Bascom，Voyles以及麥迪遜和耶魯大學的合作者，對於隨著材料從液態玻璃轉變為固態玻璃中，不斷移動的原子的變化有了更深刻的理解。

他們描述了他們觀察到的這些原子（2018年3月19日發表在Nature Communications雜誌上)如何隨著時間在不同溫度下重新排列。這個發現可以為幾種相互競爭的理論增加急需的實驗清晰度，即關於這一過程如何發生，稱為玻璃化轉變。它還可以幫助減少開發新型金屬玻璃材料的時間和成本，並為製造商提供更深入的工藝設計見解。

一個挑戰是，隨著金屬從熔融液體轉變為固體，它們傾向於形成有序的，周期性重複的稱為晶體的原子結構。相反，玻璃材料具有高度無序的原子結構。在製造高性能金屬玻璃時，聽起來就像在材料冷卻時防止金屬原子形成晶體一樣簡單，但實際上，它依賴於抽獎的運氣。

Voyles 表示：「製造玻璃的過程和使其晶化是彼此競爭的過程，贏得勝利的過程決定了最終產物。」他的工作得到了 National 科學基金會和美國能源部支持。

在液體中，所有的原子始終在相互移動。當熔融金屬冷卻並開始向固體過渡時，其原子減速並最終停止移動。

這是一個複雜的原子級舞蹈，科學家們仍然在深入了解這個舞蹈。憑藉他們在電子顯微鏡和數據分析方面的專業知識，Voyles 和他的合作者已經測量了一個原子平均需要多長時間才能獲得或失去近鄰原子，因為它處在熔融液體中波動的環境。

「一個原子被一堆其它原子包圍著，」沃伊斯說。 「在溫度非常高的時候，它們會在每皮秒（1 T 分之一秒）內發生反彈，它們會有一套新的鄰居。隨著溫度的降低，它們會與鄰居呆的越來越久，直到它們永久地粘在一起。」

在高溫下，原子都快速移動。然後，當液體冷卻時，它們移動得更慢; 一個簡單的描述可能是所有的原子以相同的速度一起慢下來，直到它們停止移動並且材料變成一塊堅實的玻璃。

「我們現在已經通過實驗證明，這不是發生了什麼，」沃伊斯說。

相反，他說，他的團隊的實驗證實，原子鎖定到位的時間差異很大 - 至少是一個數量級 - 在同一液體內不同位置。

「一些納米尺寸的區域首先變得」黏著「，並且長時間保持其近鄰，而粘性區域之間的原子移動的更快，」他說。 「它們繼續比緩慢部分波動快10倍，然後一切都變慢，但粘性部分也變得更大，直到粘性部分」獲勝「，材料變成固體。」

現在，他和他的合作者正在努力理解緩慢和快速部分之間的原子排列有怎樣的不同。

「這是這個拼圖的下一個大的缺失，」他說。

Voyles說，這一進展提供了有關基本過程的寶貴信息，從玻璃到塑料，再到藥物製劑，以及許多其他的玻璃材料，從液體到固體的轉變。

「這真是基礎科學，」他說。 「但是，對應用程序的最終潛在影響是，如果我們真正理解這是如何在原子級別運轉的，這使我們有機會建立控制去製造我們想要的玻璃，而不是靠運氣去製備。 「