金屬玻璃中的原子分形

【中玻網】金屬玻璃是非常堅韌而且有彈性的材料，然而關于金屬玻璃微觀結構的研究一直存在爭論。近日，研究者在兩三個原子直徑尺度下觀察金屬玻璃并提出了金屬玻璃內部原子分形的理論，成功的解釋了金屬玻璃宏觀性能和微觀結構的聯系。
　　
　　金屬玻璃是非常堅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特的機械性能和不可預知的內部結構。材料科學和機械工程與應用科學部的教授朱莉婭.格里爾和加州理工學院實驗室的研究人員已經證明金屬玻璃確實有一個原子水平結構（如果將它足夠的放大），盡管它不同于金屬晶體的特性。
　　
　　如果你在大于幾個原子的直徑的尺度下觀察金屬玻璃，你會發現緊密排布蓬亂的原子簇。格里爾組在新發表的文中指出，原子簇內部有一種可預測的直徑大約為兩到三個原子直徑的排列結構稱為分形。
　　
　　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生。該小組做了模仿模擬和實驗來探測銅，鋯和鋁金屬玻璃合金的原子結構。例如金剛石或金這些晶體結構的原子或分子被排列成有序晶格圖案。因此，圍繞在結晶材料的原子的局部鄰域與其他地方中的材料是相同的。
　　
　　在非晶態金屬中，材料內的每個位置看起來不一樣。然而格里爾和她的同事發現，當你放大到三個原子直徑看原子之時出現了不一樣的結果。在這種尺度上，無論在材料的哪個位置，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。”
　　
　　盡管其他科學家先前已經猜測，金屬玻璃中的原子分形地分布。然而，這產生一個明顯的矛盾：當原子分形地分布時，在它們之間應該有空間。但是，金屬玻璃就像普通的金屬是完全致密的，這意味著他們在空白區域缺乏顯著的空間。
　　
　　“我們小組已經通過表明原子只分形地排布達到一定規模解決了這一矛盾。”格里爾說。“比兩三個原子直徑尺度大，原子簇隨機和緊湊排布，組成了一個完全致密的材料，就像一個普通的金屬。因此，我們可以得到一些既分形又完全致密的東西。”
　　
　　這一發現是與金屬玻璃相關的，但該小組關于分形分布的原子結構結論可以應用到任何無定形材料，如在窗玻璃上的玻璃或冰凍口香糖。“非晶態金屬可以表現出獨特的特性，如不同尋常的強度和彈性。”陳說，“現在我們知道這些材料的結構，我們就可以開始研究它們的原子級排布是如何影響他們宏觀上的性能。”