“誰”在軍訓“金屬原子”

供稿|張小東 / ZHANG Xiao-dong

內容導讀

金屬原子不同于其他材料原子的散漫懶惰，它們是一個“緊密團結，注意隊列”的整體。微觀層面，金屬原子被“影子教官”瘋狂軍訓，從液體的亂而無序到固態(tài)的長程有序，影子教官功不可沒。但是金屬原子也會走錯場，站錯位，影響了整個排面，所以“隊列”中就出現(xiàn)了缺陷。更有意思的是，如果科學家們故意作弄那些“聽話的金屬原子”，打亂他們整齊的隊列，賦予了他們新的特質，并將這種結構的材料稱之為金屬玻璃。

初中化學課本上，我們了解到常態(tài)下大多數(shù)金屬的微觀結構是以晶體形式存在的，所謂的晶體結構就是金屬原子在微觀層面上呈現(xiàn)空間有規(guī)律的重復性排列，就如同軍訓中的我們一樣排面整齊。那么金屬原子為什么會如此注意排面和隊列呢？是否存在一個看不見的“影子教官”在對金屬原子進行軍訓呢？

金屬原子的“影子教官”

從石器時代到青銅器時代，人類的生存發(fā)展離不開金屬材料，人們對于金屬材料的探究也從未停止過，現(xiàn)有的元素周期表中金屬元素有90 個(總的118 個)，占據絕對的霸主地位。同時人們還發(fā)現(xiàn)金屬在微觀層面上原子就像“受軍訓的學生”一樣，排面整齊統(tǒng)一，如圖1 所示。

圖1 晶體結構(圖片來源：Beautiful Chemistry)

金屬原子為什么會排列如此規(guī)則，為什么不隨意站隊呢，其中的奧秘如何呢？眾所周知，宏觀物質是由微觀的粒子組成的，常見的包括原子、分子以及離子。金屬一般是原子直接構成，每個原子之間依靠什么樣的力結合在一起呢？

這個要追溯到1916 年，德國化學家科塞爾(Walther Kossel,1888 年—1956 年) 根據惰性原子性能穩(wěn)定的原因是原子核外有八個電子推斷穩(wěn)定的化合物必須要滿足元素原子的最外層電子數(shù)為八個[1]。同時科塞爾提出金屬原子的外層電子一般少于四個，如圖2 所示。這就使得金屬原子想要趨向于穩(wěn)定，必須要借相鄰金屬原子的最外層電子，因而金屬結晶過程中傾向于構成極為緊密的結構，使每個原子都有盡可能多的相鄰原子。

圖2 金屬原子結構(圖片來源：百度百科)

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)金屬的最外層電子并不是某幾個原子之間共享的，而是處于一種自由態(tài)，游離在整個金屬晶體之中，由于外層帶負電的電子成為了自由粒子，原子就失去了電平衡，原子變成了帶有正電的金屬離子，這些游離的自由電子與全部的金屬離子相互作用，形成了穩(wěn)定整個金屬晶體結構的力，也稱之為金屬鍵[2]。

金屬鍵讓金屬原子緊密的堆疊在一起，那么又是如何讓他們成一定規(guī)律排列呢？金屬鍵實際上就了更好的控制這些原子，金屬原子傾向于緊密堆疊在一起。如果我們將原子看作一個鋼球如圖3 所示，單一平面內金屬原子緊密堆疊周圍需要六個原子，同時也形成了六個空隙，單層堆疊完成以后，還需要空間的三維堆疊，層層堆疊都需要滿足最密排的原則，所以所有原子都按照一定的規(guī)則進行排列[2]。

淘氣的金屬原子

是自由電子形成的一個電子云與晶體中所有的金屬原子形成的吸引力。所以金屬鍵是沒有飽和性的，不管來多少金屬原子都可以融入到這個大家庭之中，只需要金屬原子的最外層的價電子共享到電子云即可，同時金屬鍵也沒有方向性，所以金屬鍵為

大部分金屬原子都能夠按照隊形站立，但是也有部分金屬原子是“刺頭”。這些“刺頭”大概有三種，分別是點缺陷、線缺陷以及面缺陷[2]。

點缺陷是以小團體形式存在的或者個體形式存在的，例如請假不進行軍訓，原有的位置被空出，這種我們也稱之為空位缺陷，或者找其他原子代替自己參加軍訓的，我們稱之為雜質缺陷，最后的隊列就變成了圖4 所示。

圖4 晶體點位錯

線缺陷是在某一個隊列或者幾個隊列中出現(xiàn)偏移，這種偏移導致隊列的方向發(fā)生了變化，繼而導致整個排面混亂，就像我們軍訓中的排頭兵出現(xiàn)了順拐，把我們都帶跑偏了，因為看上去就像被一柄刀切了一樣，所以被稱之為刃型位錯，如圖5 所示。

圖5 晶體線位錯

面缺陷是在各個隊列之間產生的一種偏差，屬于二維層面上的位錯結構。

“搗亂的”科學家教官

金屬原子在自然界中按照規(guī)則排列，是一個注重隊列排面的整體，雖然有一些原子比較淘氣影響了隊列的整齊，但是總得來說還是一個團結友愛的大集體。搗亂的科學家們不喜歡看他們整齊的樣子，充當了破壞的急先鋒，將金屬晶體結構轉化為非晶結構。

在日常生活中常見的非晶結構物質就是玻璃，其重要的一個外在體現(xiàn)是沒有固定的熔點，在高溫下呈現(xiàn)一種似融非融的狀態(tài)(熔融狀態(tài))，所以科學家們將非晶金屬稱之為玻璃態(tài)金屬，也稱作金屬玻璃。

打破金屬原子的隊列并不是科學家有意為之的，1960 年美國科學家Duwez 等[3]在研究金-硅固溶體時，無意間在超高速冷卻條件下得到了無規(guī)律、長程無序的非晶合金，并且將這一成果發(fā)表在Nature雜志上，在材料學界掀起了一股旋風。從此以后，科學家開始從無意識的發(fā)現(xiàn)轉向有意識的“搗亂”，金屬原子的有序隊列遭到了破壞。

金屬玻璃成型最常見的工藝是急速冷卻，高溫下金屬熔化變成液體狀，有序的晶體結構變成了無序的非晶機構，當液體金屬在極高的冷卻速度下冷卻時，金屬原子還沒有來得及排列整齊，金屬溶液已經凝固完成，金屬原子此時無法移動，保持著無序狀態(tài)，就形成了非晶態(tài)金屬。這種非晶態(tài)金屬原子分布與金屬溶液中原子分布相似，所以非晶態(tài)金屬同時具備了金屬、非晶、固體和液體特性，被認為是繼鋼鐵、塑料之后的新一代工程材料。

結束語

金屬作為工農業(yè)生產中最常用的材料之一，從簡單的人工冶煉金屬到復雜的新材料制備，對于金屬的研究從未停止。金屬原子作為構成金屬材料最小粒子單元，在一定程度上金屬原子的排列決定了材料性能。金屬原子受到金屬鍵的作用，在微觀層面長程有序排列，形成晶體結構。但也有部分原子不受管教，導致晶體結構存在缺陷，這些亂而無序的原子排列賦予了金屬新的特征。用辯證發(fā)展的眼光去看待事物，發(fā)現(xiàn)缺陷并不僅僅是一種殘缺的美，更是通往另一個科學世界的鑰匙。