金屬玻璃是什麼？- Ashwini Bharathula

觀看完整課程：http://ed.ted.com/lessons/what-is-metallic-glass-ashwini-bharathula
鋼鐵和塑膠是對於基礎設施和科學技術很重要的兩種材料。鋼鐵既堅固又硬，但很難做出複雜的造型。塑膠可塑造成任何形狀，但既脆弱又軟。所以該有多好啊？──
如果有一種材料能像最強鋼鐵一樣堅硬，又像塑膠那樣可塑造的話。阿什維尼•巴拉圖拉在論述金屬玻璃的未來。
課程：Ashwini Bharathula，動畫：Tinmouse Animation Studio。

鋼鐵和塑膠，

這兩種材料對於基礎設施
和科學技術都很重要，

並且他們有互補的優點和缺點。

鋼鐵既堅固又硬，

但很難做出複雜的造型。

塑膠可塑造成任何形狀，

但既脆弱又軟。

所以該有多好啊？──
如果有一種材料

能像最強鋼鐵一樣堅硬，

又像塑膠那樣可塑造的話。

很多科學家和技術人員

都為一個最近的發明感到興奮
──「金屬玻璃」，

它兼具這兩種性能，甚至更多。

金屬玻璃看起來有光澤且不透明，
像金屬一樣，

同時也像金屬一樣可導熱和導電。

但它們比大多數金屬堅硬很多，

這意味它們可承受很大的力量，

也不會被折彎或凹陷，

可製成超銳利的手術刀、

超堅硬的電子產品外殼、

鉸鏈、

螺絲釘；

還不止於此。

金屬玻璃還有一種極好的性能，

能儲備及釋放彈性能量，

使它們成為
製作體育用品的最佳選擇，

比如網球拍、

高爾夫球桿

和滑雪板。

它們不易腐蝕，

且可被鑄成具有鏡面的複雜造型，

只需一個鑄造步驟。

儘管它們在常溫下很堅硬，

如果把溫度升到攝氏幾百度，

它們會明顯地變軟，

並可塑造各式各樣你喜歡的形狀。

當把它冷卻下來，

就會恢復之前的強度。

這所有奇妙的特性是從哪裡來的呢？

實質上，這是和金屬玻璃
獨特的原子結構有關。

多數的金屬在固態時是結晶體，

意思是如果把它放大到
可以看到每個原子，

它們呈現有序、循環的整齊排列，

整個原料都是如此排列。

冰是晶體，

鑽石及鹽也是。

如果你將這些原料加熱到融化它們，

原子便可自由晃動且任意移動。

但當你把它們冷卻下來，

原子便自己重新排列，

重組為晶體結構。

但如果你能將融化的金屬快速降溫，

快到原子們找不到它們應在的位置，

此時，原料雖然是固體，

但卻擁有液體的
混亂、非結晶的內在結構，

這便是「金屬玻璃」。

這種結構有另一個優點──
沒有晶粒邊界。

多數金屬有晶粒邊界。

晶粒邊界是原料較容易刮傷
或腐蝕的脆弱點。

第一個金屬玻璃是在1960年
由金和矽做出來的。

這並不容易。

因為金屬原子結晶極為迅速，

科學家必須把合金急速冷卻，

一百萬開氏度每秒（降溫速度）

藉著把微粒水珠射向冷銅片

或做出超細的金屬絲。

那時，金屬玻璃只能做成
幾十或幾百微米厚 (µm)，

因太薄而不切實用。

但是自此，科學家便發現

如果將幾種容易混合的金屬互相摻雜，

由於它們的原子大小極不相同，
致使不易結晶在一起，

這混合物的結晶速度就變慢許多。

這意味不需要那麼快速降溫，

所以材料可以比較厚，

可達幾厘米厚 (cm) 而非微米 (µm)。

這種材料稱為「大塊金屬玻璃」，或BMGs。

現在已有幾百種不同的BMGs，

但為什麼不是所有的橋和車
都用這些材料製做呢？

目前許多可用的BMGs 都是用昂貴金屬做的，

比如鈀和鋯，

它們必須很純，

因為任何雜質都會導致結晶。

所以用 BMG 建摩天大樓或太空梭，
造價都是天文數字。

儘管它們堅硬，

但還不夠堅硬到足以做承重類的應用。

當壓力很大時，
它們會毫無預警地折斷，

對於例如橋之類，並不理想。

但是如果工程師想出
如何用更便宜的金屬製造 BMGs，

以及如何讓它們更堅硬，

那麼這些超級材料

真是潛能無限啊！