在科幻電影《變形金剛4》中，一家科技公司研制出了一種“可隨意變換形態”的金屬材料。以這種材料制成的人造機器人可以隨意控制自己的外形。類似情節在電影《終結者》中也有出現，以某種金屬材料制成的機器人，可隨意改變形態。這兩部電影中，這種材料是產自“賽博坦星球”的液態金屬。

　　無獨有偶，最近有報道稱2015年年底將有一款全液態金屬智能手機發布，聽起來很炫酷，那么，現實中的“液態金屬”能否像電影中那樣，隨意變換形態呢？

　　變形金剛4電影截圖

　　液態金屬：原子排布不規則的固態金屬

　　為了回答這個問題，首先需要知道液態金屬得名的原因。我們知道物質一般具有固、液、氣三種狀態對應溫度由低升高時的三種狀態。 從原子結構角度來看，三種狀態的區別在于原子的空間排布形式。

　　對于大多數的物質，固態時都以晶體形式存在，即原子規則排布；在液態物質中，雖然原子之間相互的間距與晶體類似，但原子不再具有規則的排布；當溫度進步一步升高達到氣態時，原子之間的間距進一步增加，以至于氣態物質中原子之間的相互作用力遠遠小于液態和固態。

　　固態，液態和氣態時的原子排布示意圖

　　針對這三種不同的原子結構，長久以來人們產生了一個想法：能否得到原子排布不規則的固態金屬。

　　最開始的思路是，將液態的金屬快速冷卻，當冷卻的速度足夠快時，金屬中的原子來不及移動至原子規則排布所需要的位置，因此液態金屬的結構得以保留至室溫。

　　這種固態金屬就是液態金屬，它有固態金屬的硬度且不可流動，但其原子結構更接近于液態金屬。與傳統固態金屬材料多為晶體不同，這種金屬的原子排布無序，因此也被稱為非晶合金。液態金屬是非晶合金的另外一種稱號，而非晶合金是更一般的名稱。

　　總結起來就是：科幻電影中的液態金屬有液體般流動性、可隨意改變形狀、而且具有金屬的高強度。這屬于影視作品中的夸張。實際中的液態金屬，一般被稱為非晶合金，它是固體。

　　最早制備的液態金屬

　　非晶合金的研究始于上世紀60年代，美國科學家Duwez教授采用噴槍技術將Au75Si25熔體快速冷卻（冷卻速率約為每秒降低106 開爾文），第一次制備出非晶合金。因此，Duwez被認為是非晶合金領域的奠基人。

　　在隨后的幾年中，人們在眾多合金體系中開發出了非晶合金。但這些非晶合金以薄帶、細絲和粉末等形態為主，限制了非晶合金進一步的應用。直到20世紀80年代后期，人們開發出來能夠制備得到較大尺寸非晶合金的金屬體系，非晶合金才慢慢開始工業化應用。

　　液態具有那些性質和應用呢？

　　“流動性”

　　不同于金屬晶體材料，非晶合金具有優異的加工性能、優異的力學性能，因此獲得了人們廣泛地關注。例如由于非晶合金的原子結構更接近于液態，因此其“流動性”比傳統的靜態金屬材料更好，在加工時，更容易利用模具進行精確加工成型。

　　下圖為人們利用非晶合金加工而成的微型齒輪。許多情況下采用傳統材料很難做出一定形狀的微型元件，而非晶合金的出現完美地解決了這個問題。因此，在微型電子設備領域，非晶合金將會發揮巨大作用。在未來，我們可能看到以非晶合金為外殼的微型機器人，在我們的身體中為我們的健康保駕護航。

　　采用非晶合金精確成型的尺寸為幾百微米的齒輪（1微米=10-6米）

　　高彈性

　　另外，傳統的晶體材料雖然原子排布有序，但是由于各種各樣的問題，導致實際制備的材料，其原子并不是如理論那樣完全規整排列。這就是我們所說的缺陷。

　　不要小看這些缺陷，它們數量雖然不一定很多，但是對晶態材料的性質起了重大的影響作用。例如，純金屬的彈性是自然界中最好的，但是由于這些缺陷的存在，實際制備的金屬材料彈性比純金屬的理論彈性要差很多。

　　非晶合金，由于其本身原子排布無序，所以天生不存在這個缺陷。這就導致非晶合金的彈性更接近于純金屬，比普通的晶態金屬材料高很多。從下面的視頻中，我們就可以很容易地得出這個結論。

　　液態金屬的彈性

　　視頻中，兩個金屬球同時以相同高度從豎直的玻璃管中下落，左邊是以鈦元素為主要成分的非晶合金球，右邊是用普通合金制成的金屬球。

　　從視頻中可以看出，左邊非晶合金小球的彈起高度明顯高于右邊的普通合金球，當右邊的小球已經基本落于底面時，非晶合金小球仍然有很明顯的彈起。

　　利用非晶合金高彈性的這個優點，人們將其制成了高爾夫球桿，這種球桿擊球的速度要遠高于普通合金制成的球桿。

　　采用非晶合金制成的高爾夫球桿

　　耐腐蝕和低電磁損耗

　　此外，晶態金屬材料中的原子排布缺陷，還會導致材料容易被酸性液體腐蝕生銹。用非晶合金替代金屬材料，這些問題都可以得到圓滿的解決。例如，可以將非晶合金附著于需要進行耐腐蝕處理的材料，如油管內壁、海上鉆井平臺支撐材料和艦船的外表面等。這使得材料的耐腐蝕性得到大大的加強。

　　將晶態金屬作為電力元件，如變壓器鐵芯用于發電時，其中的缺陷還會導致電磁能的損耗。而用非晶合金制成的鐵芯損耗極低，這也是非晶合金目前的一種重要應用。

　　采用非晶合金制備得到的變壓器鐵芯

　　金屬光澤

　　非晶合金也開始被用于電子產品的外殼，如存儲產品和手機。蘋果公司日前將美國Liquid Metal科技公司的非晶合金獨占使用權續約至2016年，越來越多的傳言表明今后的某代蘋果手機將具有非晶合金外殼。這是由于非晶合金除了耐腐蝕性強，容易成型等優點外，還具有金屬光澤。

　　高強度

　　非晶合金本身具有的金屬特性使得他的強度比一般塑料材料高很多，因此人們不必再擔心手機外殼由于外力的作用斷裂，也不必擔心手機的外殼出現劃痕，影響心愛手機的美觀。這些特性使得非晶合金成為一種理想的外殼材料，如前文所述，今年將有一款全液態金屬的手機在年底上市。

　　人們對于非晶合金仍然存在著很多的未知。諾貝爾物理學獎獲得者安德森教授將理解非晶合金的形成與性質列為待解決的100個凝聚態物理重大難題。

　　我們有理由相信，隨著科研技術的不斷發展和公眾關注度的不斷提高，終有一天人們可以完全掌握非晶合金的原子結構，從而指導設計和合成具有某種性質的非晶合金。

　　到那時，也許真的會有人造變形金剛，即人造機器人，出現在我們的日常生活中，改善我們的生活質量。



 

責任編輯：王元

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