金屬玻璃中的原子分形

【中玻網(wǎng)】金屬玻璃是非常堅(jiān)韌而且有彈性的材料，然而關(guān)于金屬玻璃微觀結(jié)構(gòu)的研究一直存在爭論。近日，研究者在兩三個(gè)原子直徑尺度下觀察金屬玻璃并提出了金屬玻璃內(nèi)部原子分形的理論，成功的解釋了金屬玻璃宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。
　　
　　金屬玻璃是非常堅(jiān)韌而且有彈性的材料，用肉眼看來與不銹鋼是相同的。但金屬玻璃與普通金屬的區(qū)別在于，金屬玻璃是無定形的，缺乏有序晶體狀原子排列。這種隨機(jī)分布的原子，是所有的玻璃材料（如窗玻璃和餐具）的主特性，并且給予金屬玻璃獨(dú)特的機(jī)械性能和不可預(yù)知的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料科學(xué)和機(jī)械工程與應(yīng)用科學(xué)部的教授朱莉婭.格里爾和加州理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)證明金屬玻璃確實(shí)有一個(gè)原子水平結(jié)構(gòu)（如果將它足夠的放大），盡管它不同于金屬晶體的特性。
　　
　　如果你在大于幾個(gè)原子的直徑的尺度下觀察金屬玻璃，你會(huì)發(fā)現(xiàn)緊密排布蓬亂的原子簇。格里爾組在新發(fā)表的文中指出，原子簇內(nèi)部有一種可預(yù)測的直徑大約為兩到三個(gè)原子直徑的排列結(jié)構(gòu)稱為分形。
　　
　　分形是不同尺度自相似性形成的花樣，并且分形可以很自然的發(fā)生。該小組做了模仿模擬和實(shí)驗(yàn)來探測銅，鋯和鋁金屬玻璃合金的原子結(jié)構(gòu)。例如金剛石或金這些晶體結(jié)構(gòu)的原子或分子被排列成有序晶格圖案。因此，圍繞在結(jié)晶材料的原子的局部鄰域與其他地方中的材料是相同的。
　　
　　在非晶態(tài)金屬中，材料內(nèi)的每個(gè)位置看起來不一樣。然而格里爾和她的同事發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你放大到三個(gè)原子直徑看原子之時(shí)出現(xiàn)了不一樣的結(jié)果。在這種尺度上，無論在材料的哪個(gè)位置，同樣的分形圖案都存在。陳說，“在組成金屬玻璃的原子集群中，原子排列成一種特殊的稱為滲流的分形圖案。”
　　
　　盡管其他科學(xué)家先前已經(jīng)猜測，金屬玻璃中的原子分形地分布。然而，這產(chǎn)生一個(gè)明顯的矛盾：當(dāng)原子分形地分布時(shí)，在它們之間應(yīng)該有空間。但是，金屬玻璃就像普通的金屬是完全致密的，這意味著他們?cè)诳瞻讌^(qū)域缺乏顯著的空間。
　　
　　“我們小組已經(jīng)通過表明原子只分形地排布達(dá)到一定規(guī)模解決了這一矛盾。”格里爾說。“比兩三個(gè)原子直徑尺度大，原子簇隨機(jī)和緊湊排布，組成了一個(gè)完全致密的材料，就像一個(gè)普通的金屬。因此，我們可以得到一些既分形又完全致密的東西。”
　　
　　這一發(fā)現(xiàn)是與金屬玻璃相關(guān)的，但該小組關(guān)于分形分布的原子結(jié)構(gòu)結(jié)論可以應(yīng)用到任何無定形材料，如在窗玻璃上的玻璃或冰凍口香糖。“非晶態(tài)金屬可以表現(xiàn)出獨(dú)特的特性，如不同尋常的強(qiáng)度和彈性。”陳說，“現(xiàn)在我們知道這些材料的結(jié)構(gòu)，我們就可以開始研究它們的原子級(jí)排布是如何影響他們宏觀上的性能。”