金屬玻璃的過去、現(xiàn)在和未來＊

汪衛(wèi)華

①中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190；②松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，廣東 東莞 523808

60多年來，聯(lián)合國大會(huì)通過宣布國際年的方式表彰重要領(lǐng)域?qū)ι鐣?huì)作出的貢獻(xiàn)，如曾批準(zhǔn)了國際天文年(2009年)、國際化學(xué)年(2011年)以及國際元素周期表年(2019年)等。第75屆聯(lián)合國大會(huì)第66次全會(huì)批準(zhǔn)2022年為國際玻璃年。玻璃這種我們生活中習(xí)以為常的材料，為什么能得到聯(lián)合國的高度重視呢？它到底是一種什么樣的材料？你了解玻璃嗎？其實(shí)，玻璃是推動(dòng)工業(yè)發(fā)展，影響社會(huì)和科學(xué)進(jìn)步，具有突出的經(jīng)濟(jì)、文化和社會(huì)意義的重要材料，有不可估量的未來價(jià)值。你想不到的是玻璃可能還是地外行星上廣泛存在的物質(zhì)，也是最難認(rèn)識(shí)的物質(zhì)，連很多偉大的科學(xué)家都曾感嘆：看透玻璃很難[1]。

玻璃最早是指透明的硅化物材料，其主要成分是二氧化硅。它是人類使用最古老的材料之一，是繼陶瓷之后第二種廣泛應(yīng)用的非金屬材料[2]。第一塊人造玻璃可追溯到5 000年前。圖1是3 000多年前古埃及新王國時(shí)期的玻璃魚。玻璃自發(fā)明以來，橫貫古埃及文明、希臘文明、羅馬文明、文藝復(fù)興、 歐洲啟蒙運(yùn)動(dòng)、工業(yè)革命等歷史時(shí)期，直至當(dāng)代，對西方文化、文明、生活、科學(xué)的萬象都產(chǎn)生了極大的影響，在東西方文化和文明的差異和分歧中起到了至關(guān)重要的作用。

圖1 古埃及新王國時(shí)期的玻璃魚(大英博物館藏)

玻璃和陶瓷這兩種古老材料在中西方是并行發(fā)展的。中國陶瓷獲得的成就舉世公認(rèn)，西方在玻璃材料的發(fā)展罕世無匹。陶瓷和玻璃都在東西方文化、文明和科技史上留下了深刻的烙印和巨大的影響[3]。陶瓷材料貫穿中華文明和文化，但不透明的陶瓷，而不是透明的玻璃在古代中國的盛行，是造成科學(xué)沒有在中國盛行的原因之一，因?yàn)橐蕾囉诟哔|(zhì)量透明玻璃的望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、三棱鏡、玻璃器皿等是早期科學(xué)發(fā)展至關(guān)重要的科學(xué)儀器。中國在玻璃發(fā)展史上失去了很多機(jī)會(huì)，并深刻影響了中國古代科技和文化的發(fā)展軌跡。對中國玻璃發(fā)展史的深度探究，能透過一種材料的發(fā)展史獲得更多關(guān)于文化、文明、科技和社會(huì)歷史進(jìn)程演化的信息以及值得思考的問題和啟迪。

玻璃的應(yīng)用還深刻影響了西方的繪畫(透視畫法)、宗教(使用大量彩色玻璃)和生活(如玻璃窗戶極大地改變了居住條件)，為人類視覺的變革提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，如：玻璃眼鏡延長了工作生命；玻璃改變了建筑行業(yè)；玻璃櫥窗和柜臺(tái)改變了商業(yè)的面貌；電燈(玻璃燈泡)改變?nèi)祟惖恼彰鞣绞?。在?dāng)今世界，玻璃種類更加豐富，玻璃的應(yīng)用延伸到通信(光纖)、能源(光伏)、生命科學(xué)(藥用玻璃)等領(lǐng)域，推動(dòng)著工業(yè)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。

金屬玻璃是玻璃家族的新成員，它兼有玻璃、金屬、固體、液體及軟物質(zhì)的某些特性[4]。金屬玻璃是迄今為止強(qiáng)度和韌性最高的金屬材料，具有接近陶瓷的硬度，但在一定溫度能像橡皮泥一樣柔軟，像液體那樣流動(dòng)；金屬玻璃還是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的穿甲材料，最理想的微納米加工材料，最強(qiáng)的抗強(qiáng)酸、強(qiáng)堿腐蝕的材料[5]。它的發(fā)明和研究雖然不到百年歷史，但已深刻影響了材料領(lǐng)域，催生了準(zhǔn)晶、高熵合金、復(fù)雜合金、高熵金屬玻璃、固溶體合金等系列新材料[5]，也為研究材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、復(fù)雜體系提供了獨(dú)特的模型體系。

那么為什么金屬玻璃相比其他玻璃這么晚才被發(fā)明？是如何被發(fā)明的？它有什么特別之處和重要用途？金屬玻璃的研發(fā)和認(rèn)識(shí)為什么這么困難？這個(gè)領(lǐng)域最新進(jìn)展是什么？它今后會(huì)如何發(fā)展，與我們的社會(huì)和生活有什么關(guān)系？本文將圍繞金屬玻璃的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來作簡要的介紹和討論。

1 金屬玻璃簡史

金屬玻璃(又稱非晶合金，或者液態(tài)金屬)顧名思義是一類用金屬合金制成的玻璃。金屬玻璃中的“金屬”，是指這種材料由金屬熔煉而成；“玻璃”是指其結(jié)構(gòu)呈一種長程無序、短程有序的玻璃態(tài)。金屬玻璃是通過急冷、高壓、強(qiáng)變形、先進(jìn)制造等現(xiàn)代技術(shù)工藝和序/熵調(diào)控理念合成的[5-6]。通常金屬熔體在凝固過程中會(huì)結(jié)晶，內(nèi)部原子會(huì)遵循一定的規(guī)則有序排列，凝固成我們常見的晶態(tài)金屬材料。而快速凝固能阻止金屬熔體凝固過程中有序晶體相的形成，把熔體原子無序的混亂排列狀態(tài)凍結(jié)下來。所以，在微觀結(jié)構(gòu)上，金屬玻璃更像是非常黏稠的液體，因此又被稱作被凍結(jié)的熔體[5-6]。

人類廣泛使用金屬材料已有8 000年歷史了，為什么金屬玻璃直到20世紀(jì)中期才出現(xiàn)呢？具有共價(jià)、離子等其他鍵型的物質(zhì)幾乎都能在自然界條件下形成玻璃，而金屬鍵的金屬合金極難形成玻璃，其原因至今仍是未解之謎[7]。 因此，迄今為止人類還沒有發(fā)現(xiàn)天然的金屬玻璃，即使采用常規(guī)的凝固技術(shù)也極難制備出金屬玻璃。

科學(xué)家為了制備出金屬玻璃進(jìn)行了長期的理論和實(shí)驗(yàn)探索。自20世紀(jì)20年代始，他們曾嘗試各種制備金屬玻璃的方法和途徑。由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制，幾乎沒有找到穩(wěn)定的金屬玻璃。當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)認(rèn)為金屬或者合金不可能被制成玻璃，因?yàn)榻饘偃垠w在冷卻凝固過程中非常容易結(jié)晶，很難被過冷，技術(shù)上很難在凝固過程中保持金屬熔體的無序結(jié)構(gòu)。德國哥廷根大學(xué)的J. Krammer在1934年把金屬蒸汽冷凝到低溫襯墊上，制得金屬玻璃膜[8]。這是最早關(guān)于金屬玻璃的報(bào)道。1950年Brenner等人[9]采用了化學(xué)電沉積法制備出了Ni-P金屬玻璃，并應(yīng)用于涂層防護(hù)金屬表面。1954年，哥廷根大學(xué)的Buckel和Hilsch[10]用氣相沉積法將純金屬Bi、Ga和Sn以及Sn-Cu合金的混合蒸汽快速冷凝到2 K的冷板上，獲得了金屬玻璃薄膜。

真正意義上的金屬玻璃的誕生(1959年)是一個(gè)與一項(xiàng)重要的冶金技術(shù)、一位著名的科學(xué)家，以及一個(gè)偶然的實(shí)驗(yàn)相關(guān)的偶然事件。加州理工學(xué)院的P. Duwez被公認(rèn)為金屬玻璃的發(fā)明人，但是他在發(fā)明金屬玻璃之前并不是從事玻璃研究的，也不是急冷技術(shù)的鼻祖。當(dāng)時(shí)他正專注于一個(gè)純科學(xué)問題：為什么有些元素如Cu和Au能夠以任意比例組分完全互溶，而另一些金屬元素如Cu和Ag卻不能？ 他仔細(xì)考察Cu和Ag的共晶型相圖和自由能，認(rèn)為有可能強(qiáng)迫Cu和Ag形成一個(gè)亞穩(wěn)的共溶固溶體。為了實(shí)現(xiàn)過飽和合金固溶，他注意到快速凝固熔體的方法。當(dāng)時(shí)這項(xiàng)技術(shù)被用于材料的快速淬火，旨在保留合金的非平衡亞穩(wěn)微結(jié)構(gòu)。Duwez在這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了熔體快速淬火方法。為了實(shí)現(xiàn)更高的冷卻速率，他將熔融的金屬小液滴噴射出去，快速與冷銅基板接觸，熔融的金屬散成薄膜能很快凝固，冷卻速率可達(dá)到106K/s的量級。利用快淬技術(shù)，他成功地合成出成分連續(xù)的Cu-Ag等過飽和固溶體。在他試圖用快速凝固方法合成Au-Si固溶體時(shí)，偶然地得到了大約20 μm厚的Au-Si金屬玻璃[11]。誰都想不到，科學(xué)之神竟以這種讓人不經(jīng)意的方式把金屬玻璃介紹到這個(gè)世界上來。

幾乎同時(shí)，蘇聯(lián)人Miroshnichenko和Salli也報(bào)道噴濺冷卻(splat-quenching)制備金屬玻璃的方法。1963年，P. Pietrokowsky發(fā)明了活塞砧座法制備金屬玻璃薄片。同時(shí)，哈佛大學(xué)的Turnbull[12]總結(jié)出定量評估玻璃形成能力的方法。他采用玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg與合金熔化溫度Tm的比值Trg=Tg/Tm，來描述合金的玻璃形成能力：Trg＞2/3的合金系具有強(qiáng)玻璃形成能力，形成玻璃所需的臨界冷卻速率會(huì)很低。Trg判據(jù)幫助研究人員探索到很多金屬玻璃。

華裔科學(xué)家陳鶴壽為金屬玻璃的發(fā)展作出杰出貢獻(xiàn)。他發(fā)展了熱分析方法，證明急冷方法制備的非晶合金有玻璃轉(zhuǎn)變，是玻璃態(tài)，并系統(tǒng)測量了其物性。1970年他發(fā)展了可連續(xù)制備金屬玻璃的雙輥急冷軋制法和單滾筒離心急冷法。1973年，美國聯(lián)合化學(xué)公司的J. J. Gilman等人實(shí)現(xiàn)以2 km/min的高速度連續(xù)生產(chǎn)金屬玻璃薄帶產(chǎn)品。從此，合金快速凝固新技術(shù)領(lǐng)域誕生了，并很快催生了諸多新合金的發(fā)現(xiàn)，如金屬間化合物、高飽和固溶體、工具鋼和輕型航空合金等。如圖2所示，金屬玻璃誕生于金屬作為結(jié)構(gòu)材料在材料領(lǐng)域影響最低谷的時(shí)期[13]，并使得結(jié)構(gòu)材料的重要性得到極大的提升[14]?？焖倌碳夹g(shù)因此被美國金屬學(xué)會(huì)評為材料史上100個(gè)“最偉大材料事件”之一(http://www.materialmoments.org)。

圖2 各類結(jié)構(gòu)材料及金屬玻璃誕生的年代及重要性[13]

快速凝固技術(shù)的發(fā)明，還催生了新的研究領(lǐng)域和新材料。準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)就是基于快速凝固技術(shù)的一個(gè)例子。1982年，以色列科學(xué)家D.Shechtman無意中(又是偶然事件)在急冷的Al6Mn合金中發(fā)現(xiàn)五次對稱衍射圖和十二面體準(zhǔn)晶，顛覆了晶體學(xué)的概念。Shechtman因此獲得了2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

早期金屬玻璃制備的基本思路都是通過把熔態(tài)或氣態(tài)合金快速冷卻，保持熔體的無序結(jié)構(gòu)，得到金屬玻璃。但快速凝固方法有很多技術(shù)限制：一是高達(dá) 106K/s的冷卻速率，使得得到的金屬玻璃呈微米量級的條帶或細(xì)絲狀，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍；二是在如此高速冷卻的情況下，工藝控制很難，難以實(shí)現(xiàn)材料的均一性；三是進(jìn)一步提高冷卻速率技術(shù)上有很大的難度。各國科學(xué)家為探索金屬玻璃制備新工藝進(jìn)行了長期的探索，發(fā)展出一系列與急冷法完全不同的制備原理和方法[15-17]，如多層膜界面固相反應(yīng)方法、球磨方法、反熔化方法、離子束混合和電子輻照法、氫化法、壓致非晶化方法等，但這些方法都沒能根本解決制備大塊金屬玻璃這一難題。

大塊金屬玻璃一直是材料領(lǐng)域的夢想之一。陳鶴壽在20世紀(jì)70年代首先取得突破，他發(fā)現(xiàn)了具有很高玻璃形成能力的PdCuSi合金系，通過封裝在石英管中熔化然后水淬，制備出第一個(gè)塊體金屬玻璃棒(直徑1～3 mm)[18]。80年代初，Turnbull和W. H. Kui采用玻璃工業(yè)中常用的古老助熔劑(fluxing)方法，用低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)的B2O3為助熔劑，包裹合金熔體，在凝固過程中液態(tài)B2O3把熔融的合金和晶態(tài)坩堝器壁隔離開來，有效隔離了非均勻形核影響，同時(shí)B2O3熔液還能吸附合金中的雜質(zhì)，純化合金，從而大大提高了樣品的過冷度和玻璃形成能力，成功制備出厘米級的PdNiP以及Pt基塊體金屬玻璃[19]。這些工作證明，在合金中存在玻璃形成能力強(qiáng)的成分，可以通過調(diào)整成分而不只是靠改進(jìn)凝固工藝，就可以獲得大塊金屬玻璃。這為探索塊體金屬玻璃提供了新的思路和信心。但是，這種方法只對有限的合金體系如Pd、Pt、Fe基有效，對一般合金很難找到合適的助熔劑。

到20世紀(jì)70年代末，日本東北大學(xué)的A.Inoue和美國加州理工學(xué)院的W. L. Johnson從合金成分設(shè)計(jì)的角度，提出通過多個(gè)金屬元素混合來提高合金本身的復(fù)雜性和熔體黏度，從而提高玻璃形成能力的新研發(fā)思路。這樣設(shè)計(jì)的復(fù)雜合金可以通過更簡單的金屬模澆鑄方法得到直徑為1～10 mm的大塊金屬玻璃體系，如由常用金屬組成的 La-Al-Ni-Cu、Mg-Y-Ni-Cu、Zr-Al-Ni-Cu、Zr-Ti-Cu-Ni-Be體系[20]。這是玻璃領(lǐng)域的又一次重大突破。在新的理念指導(dǎo)下，一系列形成能力接近傳統(tǒng)氧化物玻璃，尺寸最大可達(dá)直徑8～9 cm，具有更高的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學(xué)、物理性能的塊體金屬玻璃像雨后春筍般地被開發(fā)出來，包括Ti基、Cu基、Fe基、Ni基、Hf基、Co基、Ca基、Au基等體系。中國科學(xué)院物理研究所也研制出一系列稀土基、CuZr二元體系、Ta基、Sr基、Zn基等新體系[21]。圖3(左)是可以直接銅模凝固成不同零件的Zr基塊體金屬玻璃。金屬玻璃很快在體育用品、醫(yī)療器具、手機(jī)等電子產(chǎn)品、軍工等高技術(shù)中得到應(yīng)用，見圖3(右)。

圖3 中國科學(xué)院物理研究所研制的大塊金屬玻璃[5](左)；各種金屬玻璃器件(引自http://liquidmetal.com/)(右)

大塊金屬玻璃是通過調(diào)制材料結(jié)構(gòu)“序”或“熵”這一全新途徑和理念而合成的，顛覆了傳統(tǒng)金屬材料從成分和缺陷出發(fā)設(shè)計(jì)和制備的思路(圖4)，把金屬材料的強(qiáng)度、韌性、彈性、抗腐蝕、抗輻照等性能指標(biāo)提升到前所未有的高度。金屬玻璃從此進(jìn)入塊體時(shí)代，極大地拓展了其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，又一次改變了金屬結(jié)構(gòu)材料的面貌。

圖4 金屬玻璃和傳統(tǒng)晶態(tài)材料探索思路的比較

金屬玻璃也具有玻璃材料的共同“缺陷”——脆性。如何克服玻璃的脆性古往今來一直是材料學(xué)家們面臨的難題。2005年，作者和A. L.Greer、J. Lewandowski合作發(fā)現(xiàn)金屬玻璃的泊松比和韌性(塑性)之間有直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系[22]， 即一個(gè)金屬玻璃體系的泊松比越大，其室溫韌性或塑性也就越大。這個(gè)關(guān)聯(lián)關(guān)系為探索塑性金屬玻璃提供了指南，研究人員因此開發(fā)出了系列具有大塑性、高韌性的金屬玻璃[23-24]。

到21世紀(jì)，金屬玻璃研究又出現(xiàn)了一次由美國和中國主導(dǎo)的高峰，主要技術(shù)和進(jìn)展涉及大塊金屬玻璃的制備和應(yīng)用、帶材在軟磁芯方面的大規(guī)模應(yīng)用、高熵合金和高熵金屬玻璃的發(fā)明、熵調(diào)控等概念的提出等。中國臺(tái)灣科研人員通過調(diào)控合金的熵值，在金屬玻璃基礎(chǔ)上研發(fā)出化學(xué)成分復(fù)雜、成分無序、展現(xiàn)出諸多奇特性能的高熵合金，顛覆了傳統(tǒng)合金有主族元素的材料設(shè)計(jì)思路，極大地拓展了材料開發(fā)的空間。

2 金屬玻璃研究現(xiàn)狀

金屬玻璃的研究目前聚焦在玻璃穩(wěn)定性和超穩(wěn)定性玻璃研發(fā)方面。一些納米尺度的單質(zhì)金屬玻璃如Ta、W、Mo等被制備出來。在金屬玻璃本質(zhì)研究方面的重要進(jìn)展是把玻璃轉(zhuǎn)變和形變這兩個(gè)基本問題聯(lián)系起來，并提出了統(tǒng)一理解金屬玻璃形成、形變、弛豫等問題的彈性模型，認(rèn)為金屬玻璃形成、形變、玻璃轉(zhuǎn)變都可用流變的物理圖像加以描述，其流變的勢壘由彈性模量控制且與彈性模量成正比[21]。具有獨(dú)特?zé)崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)及物理特性的低維金屬玻璃，包括非晶表面、超薄金屬玻璃膜、金屬玻璃納米線和顆粒，也是目前的研究前沿。

金屬玻璃的應(yīng)用取得長足進(jìn)展。Fe、Ni、Co基金屬玻璃軟磁條帶、絲材和粉末已廣泛應(yīng)用于各種變壓器、電感器和傳感器、磁屏蔽材料、無線電頻率識(shí)別器等，是電力、電子和信息領(lǐng)域不可或缺的重要基礎(chǔ)材料[25]。軟磁金屬玻璃制造技術(shù)也已經(jīng)成熟，已形成千億級非晶鐵芯高端制造產(chǎn)業(yè)集群。塊體金屬玻璃在軍工(如穿甲彈、裝甲)、航天、手機(jī)等信息器件、汽車等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

隨著一批杰出的金屬玻璃研究和應(yīng)用人才的涌現(xiàn)，中國的金屬玻璃研發(fā)躍升至國際一流。這是與中國不斷增加的科技投入、基礎(chǔ)研究的長期積累、制造業(yè)大國的產(chǎn)業(yè)對新金屬材料的需求、后備年輕人才輩出密切相關(guān)的。金屬玻璃領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的長期積累為這類新材料的應(yīng)用提供了支撐和動(dòng)力，而相關(guān)的基礎(chǔ)研究也從工業(yè)應(yīng)用中汲取問題來源和進(jìn)步源泉。

金屬玻璃的發(fā)展目前面臨諸多瓶頸。首先，基礎(chǔ)科學(xué)難題是目前制約金屬玻璃發(fā)展的最大瓶頸。由于無序結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，現(xiàn)有固體物理和材料科學(xué)理論、模型和范式都無法有效描述其結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，亟需新理論和新范式。由于金屬玻璃缺少明顯的微觀結(jié)構(gòu)特征，表征和建立其結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性從基本理論到實(shí)驗(yàn)手段上都極其困難。只有基礎(chǔ)研究方面的突破性進(jìn)展才能促進(jìn)高性能金屬玻璃的高效研發(fā)和性能優(yōu)化。

其次是金屬玻璃研發(fā)的低效。金屬玻璃的成分復(fù)雜程度也嚴(yán)重阻礙了其設(shè)計(jì)和有效開發(fā)。迄今全世界近百個(gè)研究組僅獲得十多個(gè)可以規(guī)模應(yīng)用的成分，大量具有特殊性能的材料有待發(fā)現(xiàn)。金屬玻璃的形成過程涉及物理、化學(xué)、材料等多學(xué)科交叉基礎(chǔ)問題和多體相互作用，其復(fù)雜性使得現(xiàn)有的理論和計(jì)算模擬尚不能精確預(yù)測合金成分，其研發(fā)始終停留在低效和漫長的“試錯(cuò)法”階段。

最后是應(yīng)用的瓶頸。在金屬玻璃領(lǐng)域，中國相關(guān)專利申請量全球排名第一，但還缺少具有國際水平的龍頭企業(yè)。中國有龐大的金屬玻璃應(yīng)用市場，但正在使用的材料多是國外開發(fā)的體系，很多國內(nèi)研發(fā)的新體系沒有得到規(guī)模應(yīng)用。國內(nèi)強(qiáng)大的研發(fā)能力與企業(yè)、市場關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。

3 金屬玻璃的未來

開發(fā)新一代高性能的、突破現(xiàn)有尺寸限制的、低成本的、結(jié)構(gòu)功能一體化的Fe、Cu、Al、Mg基等金屬玻璃體系是未來的發(fā)展趨勢。金屬玻璃的生命力也取決于它對不同學(xué)科的影響和應(yīng)用前景。2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予意大利科學(xué)家G. Parisi，以表彰他對理解復(fù)雜無序系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，也說明無序體系本身研究的重要科學(xué)意義。金屬玻璃作為相對簡單的無序體系，是研究復(fù)雜體系的理想模型體系，將極大地推動(dòng)復(fù)雜無序體系的發(fā)展。

從發(fā)展歷史看，金屬玻璃的重要進(jìn)展是與制備方法的突破分不開的。圖5示意制備工藝技術(shù)在金屬玻璃發(fā)展史上的作用。從急冷法制備出金屬玻璃條帶，到助熔劑方法首先獲得大塊金屬玻璃，再到銅模澆注、多組元混合制備出塊體金屬玻璃，每一次金屬玻璃的突破都是由方法的發(fā)展引起的。金屬玻璃的未來也取決于在玻璃形成能力這個(gè)關(guān)鍵瓶頸上的突破，取決于顛覆性制備新技術(shù)的發(fā)展，取決于高玻璃形成能力新體系的發(fā)現(xiàn)。

圖5 制備技術(shù)在金屬玻璃史上的作用

制造能力是人類區(qū)別于動(dòng)物的一個(gè)重要標(biāo)志，制造業(yè)也標(biāo)志著一個(gè)國家的發(fā)達(dá)水平。在20世紀(jì)，科學(xué)家找到了構(gòu)成物質(zhì)世界的基本模塊是分子、原子和基本粒子；物質(zhì)科學(xué)的趨勢將是反過來探索利用這些基本模塊來制造材料。金屬玻璃的制造也將是一個(gè)重要的新方向。制造金屬玻璃的技術(shù)，包括3D打印、聲制造、光制造、基于半固態(tài)成型、基于超塑性的連接成型，以及原子制造等，可能是突破瓶頸的新途徑和新思路。這些從下而上(bottom-up)的制造技術(shù)將避開臨界冷卻速率的限制，制備出理論上無尺寸限制的超大金屬玻璃。

材料基因工程是近年來以加速材料探索為目標(biāo)的新理念，可在短時(shí)間內(nèi)篩選出具有預(yù)期特性的材料，大幅提高新材料的研發(fā)效率。采用材料基因工程理念和高通量方法，已經(jīng)研制出高溫Ir-Ni-Ta非晶合金[26]，證明材料基因工程理念在金屬玻璃中應(yīng)用的有效性，可望在高性能金屬玻璃的成分設(shè)計(jì)和探索中取得突破，實(shí)現(xiàn)快速篩選。

中國已有十幾年的金屬玻璃基礎(chǔ)和應(yīng)用研究積累，有蓬勃發(fā)展的、最健全的制造業(yè)和較低的產(chǎn)業(yè)化門檻，因此，作為結(jié)構(gòu)和功能一體化的金屬材料，金屬玻璃應(yīng)用極有可能在中國取得突破性進(jìn)展。在航天和地外資源利用領(lǐng)域，堅(jiān)韌、高穩(wěn)定性的金屬玻璃鏡子將在未來的太空探索、地外原位資源利用中發(fā)揮關(guān)鍵作用?？臻g裝備通常會(huì)面臨高溫差、強(qiáng)輻照、強(qiáng)腐蝕、高應(yīng)變等極端環(huán)境，金屬玻璃良好的綜合性能可使其在空間冷熱循環(huán)、高能粒子輻照等復(fù)雜環(huán)境下表現(xiàn)出高穩(wěn)定性；其原子層級表面平整度，兼具低熱膨脹系數(shù)及精密成形性能，有望作為空間反射鏡實(shí)現(xiàn)月壤提煉、制氧等空間原位資源利用。圖6是利用金屬玻璃鏡聚焦陽光進(jìn)行地外原位資源利用的想象圖[27]。其聚焦陽光可以達(dá)到大于1 000 ℃的高溫，可望用于未來月球地面站的水資源開采，以及月球上礦物的提取和制氧。利用金屬玻璃鏡聚焦陽光，可進(jìn)行月壤的3D打印制造，利用月壤制造成各種器具和工具。研究、仿制超穩(wěn)定和超強(qiáng)的月壤玻璃，可用于制造宇航員的面罩，以及未來月球和火星基地的建筑窗戶、植物種植的溫室、各類容器等。

圖6 未來月球基地使用金屬玻璃鏡采水的想象圖[28]

電子信息領(lǐng)域設(shè)備大量應(yīng)用輕、薄、小和高度集成化的器件和高頻電子技術(shù)，這要求其中變壓器和電感器的軟磁鐵芯適用于高頻場合。在高頻下，金屬玻璃電機(jī)鐵芯可顯著降低電機(jī)損耗，提高效率，解決了傳統(tǒng)高頻器件中因需配備散熱裝置而導(dǎo)致體積過大的問題，有望在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、高速主軸、航空發(fā)電機(jī)和軍事領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。非晶軟磁材料有望促進(jìn)第三代半導(dǎo)體在大功率、高頻器件中的應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)5G基站、衛(wèi)星通信、雷達(dá)航空、智能汽車等關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展。

金屬玻璃是制造業(yè)的基礎(chǔ)材料。例如：基于金屬玻璃的柔性齒輪彈性高于常規(guī)金屬數(shù)十倍，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)比大、體積小、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，即使是在太空等嚴(yán)酷環(huán)境條件下也能正常工作，不需加潤滑油，可用于火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)、坦克以及雷達(dá)中的隨動(dòng)系統(tǒng)和真空密封傳動(dòng)，機(jī)器人手臂連接，以及精密測試領(lǐng)域等。

地外玻璃可能是玻璃研究的新領(lǐng)域。玻璃可能是地外行星表面普遍存在的物質(zhì)。中國嫦娥五號和美國阿波羅飛船帶回的月壤中，都含有大量的玻璃。外星玻璃主要有兩種形成方式：一是火山爆發(fā)噴出的高溫巖漿快速冷卻后形成的?；鹕讲Ａ钦J(rèn)識(shí)星球內(nèi)部物質(zhì)組成和月幔演化的重要物質(zhì)。二是小行星或隕石撞擊行星時(shí)，形成的熔融物質(zhì)快速冷卻形成的。撞擊形成的玻璃的成分保存了撞擊區(qū)域行星的地質(zhì)、化學(xué)成分等信息?；鹕絿姲l(fā)的熔漿或隕石撞擊形成的炙熱熔漿在凝固過程中，如果正巧包裹住周圍環(huán)境中的水、氣、礦物等，并形成玻璃，就能把這些物質(zhì)封存于其中，而玻璃以其無與倫比的穩(wěn)定性保存了這些遠(yuǎn)古的物質(zhì)，從而可以幫助我們了解月球古時(shí)的環(huán)境及演化信息?？茖W(xué)家在阿波羅宇航員從月球帶回的玻璃小球中發(fā)現(xiàn)了水分子，有力證明了月球曾存在水。玻璃的“記憶效應(yīng)”能夠“記憶”住它所經(jīng)歷的劇烈的熱和壓力變化的歷史。通過研究行星玻璃的記憶效應(yīng)，可以推測其年齡，判斷何時(shí)發(fā)生過劇烈地質(zhì)活動(dòng)、撞擊事件等演化事件，認(rèn)識(shí)地外星體演化的奧秘。

4 小結(jié)

古老的金屬和玻璃兩大材料家族的交融，形成了金屬玻璃。金屬玻璃豐富了金屬和玻璃的家族，改變了玻璃和金屬領(lǐng)域的面貌。它的誕生還衍生了一系列新的工藝、方法、理念和材料，如急冷技術(shù)、遠(yuǎn)離平衡態(tài)技術(shù)、熵調(diào)控、高熵方法、超飽和固溶體、準(zhǔn)晶、高熵合金、復(fù)雜金屬、高熵金屬玻璃等，為高技術(shù)、制造業(yè)、電子工業(yè)、日常生活等提供了一類全新的材料，為復(fù)雜體系、凝聚態(tài)物理、化學(xué)化工、材料科學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究提供了獨(dú)特的模型材料和重要的啟示借鑒。當(dāng)今，金屬玻璃正在不斷和多學(xué)科交叉，并行發(fā)展，也面臨諸多挑戰(zhàn)。在未來，金屬玻璃新材料會(huì)層出不窮，不斷衍生更多新材料，其應(yīng)用會(huì)不斷向各個(gè)領(lǐng)域滲透，對將來先進(jìn)制造業(yè)、信息技術(shù)、星體的成因和演化認(rèn)識(shí)、星際探索及地外原位資源利用、生命物質(zhì)和社會(huì)等復(fù)雜體系的規(guī)律的理解等發(fā)揮重要作用。金屬玻璃會(huì)像其他玻璃材料一樣，不斷給我們帶來驚喜，改變我們的生活方式，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。