金屬和塑料是日常生活中廣泛使用的材料，現在看看有錢花而且有飯吃的你的身邊，是不是有數不盡的金屬制品？

還有數不盡的塑料制品？

吃完飯之後就要多學知識，想想金屬和塑料為什麼能大規模應用到生活中的方方面面呢？

1 金屬和塑料是矛盾的材料嗎

通常,金屬具有比較高的熔點，機械強度高。人類在很早以前就使用了金屬材料, 而且可以追溯到人類文明有記載的青銅器時代。

和早時期的石器相比, 金屬銅和金屬鐵是更加先進的材料。之所以青銅器和鐵器能夠取代石器，原因就是它們具有比石器更加優越的力學性能以及易于冶煉和加工的特點，所以第一次工業革命也和鋼鐵的大規模使用息息相關。

和金屬相比，塑料僅僅是20 世紀初開始興起的材料，因為變形和加工性能非常好，現在已經實現了大規模使用。

塑料是一類原子排布不規則的聚合物非晶體材料，其軟化點稱為玻璃轉變溫度。由于塑料的玻璃轉變溫度通常在室溫附近，有的甚至低于室溫，所以塑料可以在室溫附近進行加工。塑料這種變形溫度低以及變形能力強的特點， 使得塑料在發明以後就在日常生活和工業生産中迅速得以廣泛應用。

所以決定材料前景的因素，不僅需要材料自身獨特的物理化學性能（比如金屬），還要求材料具有優良的加工和變形性質（比如塑料）。

金屬和塑料是兩類近乎矛盾的材料：金屬的強度比塑料高很多, 但是加工性能比塑料差。所以有沒有可能開發出一種既有金屬的強度、又具有塑料那樣優異加工性能的材料呢?

2 金屬塑料的發現

答案是有的。2005年5月, 中國科學院物理研究所報道了一種具有金屬的強度和塑料那樣優異加工性能的全新金屬材料。

這種材料在室溫下具有和鋁鎂合金一樣的強度，但是當溫度升高到開水溫度時，它就像塑料一樣展現出拉伸、壓縮、彎曲、壓印等各種加工變形行為。正是因為兼有一般金屬的性質和塑料一樣的優異加工性能，這種材料被稱之為“金屬塑料”。

和生活中常用的金屬不一樣，金屬塑料不是晶體，而是非晶态結構，是非晶合金的一種。平時經常接觸到的鋼鐵、鋁合金等在微觀層次上原子的排列是具有對稱性的，而非晶體的原子排布沒有任何周期性結構，是個複雜無序體系。

左圖為計算機模拟的非晶态銅锆合金結構，粒子排列無序聚集；右圖為晶态銅锆合金結構，粒子排列十分規則

非晶态固體材料種類實際上非常豐富，種類繁多。我們就生活在由非晶固體充斥的世界，人們日常見到的材料：塑料、玻璃、瀝青、琥珀、橡膠等都是非晶态固體。

玻璃作為一種無序的無機物非晶态物質，在人類文明的發展也具有重要作用，比如每天都會用到的杯子：

比如現代科學的發展基石的望遠鏡、顯微鏡的光學鏡片：

比如建築的藝術設計來源：

比如，正是下面的光纖（利用極高純度的玻璃媒介傳送光波），使得本推送讓更多人看到啦

非晶态固體還具有不同于晶體的特征：

1.非晶是亞穩态。在對非晶态物質升溫的時候，非晶會發生向平衡态演變的過程，其物理性質和原子排布結構随着時間也會發生改變，所以在使用非晶材料時要考慮其在使用過程中的穩定性因素（物理性質是不是在一定的時間段内保持穩定）。

非晶和晶體的自由能對比圖，亞穩的非晶态處于能量上不穩定态

2. 非晶态物質物理性質上的各向同性。晶體有晶軸取向，具有各向異性；非晶沒有晶格取向，宏觀上表現為各向同性，就像打碎的非晶玻璃外型無一定的規則一樣。

3. 非晶态固體沒有确切的熔點。晶體在常溫常壓下都有确定的熔點，非晶沒有确切的熔點。塑料、玻璃加熱都是逐漸軟化的同時變成熔體。而當熔體冷卻時，如果冷速高于形成晶體的冷速，熔體就會在某一溫度附近形成非晶态固體，這個溫度稱為玻璃轉變溫度點。

液體形成過冷液體、非晶、晶體的路徑圖3

從熔體形成液體的凝固點到玻璃轉變溫度這個溫度區間為過冷液相區，在這個溫度區間内，非晶态既不是硬邦邦的固體，也不是沒有特定形狀的液體，而是表現出典型的黏流體狀态，具備很好的超塑性成形能力，可以使用外力使得非晶發生永久性變形。

塑料在過冷液相區的成型

和金屬塑料同一種類的非晶合金加熱到過冷液相區溫度後，也可以采用吹塑法對其進行成形加工，實現極高變形量。

采用吹塑法成形的锆基非晶合金

那麼這種金屬塑料是如何設計出來的呢？

3 金屬塑料的設計規則

非晶态合金天生就是一種奇特的材料。一方面，在室溫下或者在低于玻璃轉變溫度以下，它具有比一般金屬材料還要高的機械強度。

锆基塊體非晶合金手機框架

另一方面, 加熱進入過冷液體區間後, 它又變得像黏性流體一樣擁有很好的變形能力。

過冷液相區對鉑基非晶合金微納成形後形成的微米級結構

所以從非晶态物質的本質上來說，聚合物塑料和非晶合金相比，聚合物塑料就是一類低玻璃轉變溫度的非晶材料，其玻璃轉變溫度點通常在室溫附近，有的甚至低于室溫。和塑料相比, 大多數的非晶合金的玻璃轉變溫度都很高(一般都在300攝氏度到600攝氏度的範圍)。

所以，對于非晶态玻璃材料，玻璃轉變溫度Tg是最重要的性能參數和指标之一，這個溫度直接決定了玻璃類材料的使用溫度以及變形加工溫度。

在強度和玻璃轉變溫度标出的範圍内，聚合物塑料和非晶合金之間存在一個隔開的區間，這正是金屬塑料材料最初的設計思想, 也就是開發位于這個獨特區間的非晶合金新材料。也就是說，這種材料具有和塑料一樣低的玻璃轉變溫度Tg，同時也具有典型的金屬材料的高強度

根據這樣的金屬塑料材料設計思想, 結合在非晶合金中玻璃轉變溫度與非晶合金彈性模量（材料抵抗彈性變形的能力）之間關系以及非晶合金彈性模量與非晶合金組成元素模量之間的關系，首先铈基金屬中發現了金屬塑料體系Ce70Al10Cu20，玻璃轉變溫度可以低至68攝氏度。

玻璃轉變溫度為68攝氏度的Ce70Al10Cu20金屬塑料可以在開水中輕易地彎曲1

開水中輕易地彎曲Ce70Al10Cu20金屬塑料得到的"BMG"字母（塊體非晶合金）圖案1

铈基金屬塑料可以在開水中輕易地進行拉伸、壓縮、彎曲、壓印等各種塑性變形的同時，還具有很寬的過冷液相區間，可以在很寬的溫度範圍内進行變形加工。

此外，還有一系列的鈣锂基體、锶基體、鋅基體的金屬塑料被開發出來，它們都可以在開水溫度附近進行變形。

不過，前面提到過，非晶合金是一種亞穩态合金，随着時間推移要向平衡态演化。金屬塑料作為非晶合金的一種，所以一定要考慮這種材料的穩定性問題。

如果對偏離其平衡态的認識還不夠深入的話，澳大利亞昆士蘭大學一位物理學家為了證明“瀝青是液體而不是固體”（因為在室溫附近，瀝青的粘滞系數很高，粒子在有限的時間内将很難改變位置形成新的構型），他将瀝青加熱，倒入一個封口的玻璃漏鬥。等到瀝青完全凝固之後，将漏鬥的下端切開，開始記錄一滴瀝青滴落的時間，實驗證明第一滴瀝青滴落耗費了8年。所以有時候在比較短時間尺度的觀察非晶态物質演化的行為确實不容易觀察到，因此常常被忽視。

澳大利亞昆士蘭大學帕内爾瀝青滴落實驗裝置

4 金屬塑料的超穩定性驗證

非晶态物質的穩定性可以到什麼程度呢？

舉個例子，琥珀是典型的非晶态物質（一種非晶糖，可以長期封存蛋白質），這種物質非常穩定。在琥珀形成之初，把遠古時代的動植物封存于其中，由于非晶物質對良好保存作用，可以把千百萬年前的生物及其當時的場景的保存下來。這樣就把千百萬年前的某個時空場景凝固住，并以其無與倫比的穩定性保存至今。

而一些成分的非晶合金在加熱的時候很容易發生向平衡态的大幅度變化，也就是非晶逐漸變為晶體。

在一定的溫度下加熱使得Zr46Cu46Al8非晶合金中随着時間逐漸析出晶體，并且晶體慢慢長大（如藍色箭頭所示）

所以有些非晶态體系容易轉變為晶體，有些體系不容易轉變為晶體，這就衍生出一個問題：對于一個給定的無序體系, 是否存在惟一的能量最低狀态呢？就像非晶态物質琥珀一樣，能在幾千萬年的演化過程中其物理性質不發生明顯變化。

目前這種穩定性高的超穩定性玻璃的主要特點有：

玻璃轉變溫度提高。玻璃轉變溫度越高，說明體系需要更多的能量來激活分子運動，即體系的穩定性越高，越不容易向晶體轉變。

密度增加。密度增加是超穩定玻璃粒子排列緻密的一個直接的宏觀反映。

彈性和強度提高。由于超穩定玻璃粒子排列緻密，抵抗外力變形的能力也相應提高。

超穩定金屬玻璃由于穩定性高，具有常規晶體和非晶體不具備的物理特性，具有可穿戴特征，能應用于柔性電子器件

由于金屬塑料可以在開水中輕易地變形，所以在室溫溫度區間内放置就可以對金屬塑料的微觀結構演化和能量狀态造成巨大的變化。那麼在室溫長時間放置的金屬塑料是變成了更穩定的晶體，還是像琥珀一樣的超穩定的物質呢？

在2005年開發出的铈基非晶金屬塑料一直在室溫放置到現在會有什麼變化呢？

實驗發現17.7年室溫老化後的铈基非晶金屬塑料樣品依舊保持着完美的非晶态，沒有轉變為晶體，表現出極強的抗晶化能力，是一種具有極高穩定性的非晶合金。

17.7年室溫老化後的铈基非晶金屬塑料的透射電子顯微鏡圖像，原子呈現無序排布的特征，沒有發現有序的晶體結構

和其他種類的非晶合金相比，铈基金屬塑料抵抗晶體轉變的能力很強，接近超穩定玻璃，也就是能夠阻礙弛豫過程中形核、結晶行為的發生。并且17.7年室溫老化後的铈基非晶金屬塑料需要加熱到更高的溫度才能向液體轉變。

比較Ce-基非晶合金與其它合金體系的形成晶體的晶核率大小發現，铈基金屬塑料擁有極低的形核率，表現出極強的穩定性

17.7年室溫老化後的铈基非晶金屬塑料的玻璃轉變點升高了27K，這說明熱力學穩定性得到顯著的提升，長時間老化使其成為一種超穩态非晶合金

為什麼铈基金屬塑料長時間放置變成了超穩定玻璃而不向晶體轉變呢？

為了解釋這個問題，我們這裡做個比喻。非晶态物質裡面的原子構型排布的勢能就像現實中山地的重力勢能一樣，山峰的位置對應高能态構型，山谷的位置對應低能态構型。原子構型随着時間推移向低能态構型演化，就像水随着時間時間推移向山谷流動一樣。

铈基金屬塑料的能量勢壘圖存在一個大的能谷，而容易向晶體轉變的非晶體的能量勢壘是由多個不同的大能谷組成，在向平衡态演化的過程中更容易躍遷到晶體的位置。铈基金屬塑料的微觀動力學是相對均勻的。這種微觀構型特性使得铈基金屬塑料在老化過程中能夠持續快速地通過臨近小能谷間的躍遷最終到達較低的能量狀态，也就是超穩定玻璃狀态。

铈基金屬塑料屬于上圖的強玻璃體系，有助于其持續快速地往超穩玻璃态弛豫

因為金屬塑料材料都有獨特的物理化學性能，它們在不同領域有應用價值和潛力。優異的加工變形能力是金屬塑料材料的共性特征，對于微塑性成型非常有利。

齒輪實物被放在手指上觀察的圖像以及掃描電子顯微鏡下觀察到的齒輪圖像

從铈基金屬塑料的發現到現在至今已經十幾年過去了。目前，金屬塑料作為一類新型材料已經獲得了進一步的發展，多個合金體系都發現了金屬塑料材料，在微納米加工與器件方面表現出極大的應用潛力。

最後，讓我們再總結一下金屬塑料的特點：

金屬一樣的強度性能；

塑料一樣的成型能力；

玻璃一樣的無序結構。

最後的最後，用金屬塑料壓印一個logo吧

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來源：中科院物理所

責編：咕噜

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