材料性能可根据生活需求优化

  电影《终结者》中,反派机器人T1000在观众心中留下了深刻的印象。它由特殊液态金属组成,时而坚不可摧,时而柔软似水、任意改变自己的形状。近日,南京理工大学格莱特纳米科技研究所青年教师兰司博士,通过与国内其他研究者,以及美、澳、日等国科学家深度合作,采用先进实验手段,探明了人为调控非晶合金微观结构的作用机制,使人类离实现这一场景更近一步。该成果日前发表在自然通讯杂志上。

  非晶合金,又称金属玻璃或液态金属,已被广泛应用于运动器材、医疗器械和电讯产品的制造中。通过人为调控,优化材料性能后,运动员使用以非晶合金为原材料的高尔夫球杆,能够将球轻松击打出更远的距离;以非晶合金制成的手术刀,将兼具更小、更薄、更锋利的特性,减少对患者造成的创口破坏,使创口愈合更快;用非晶合金制作手机壳,不仅外表美观,呈水银般的光泽,带有液态流动感,且更抗摔,耐磨。

  兰司介绍,非晶合金的结构是非均匀的,其中流动的可变单元与固态的不可变形单元并存,决定了非晶合金材料的性能。尽管科研人员早已发现非晶合金在玻璃转变点会发生固态与液态结构的转变,但该变化过程中的微观机制,是困扰学科领域逾40年的难题。在何种温度下,多长时间内,材料将转变为怎样的结构?能否实现人为调控材料性能?面对这些问题,许多学者从不同的角度提出了解释假说,但始终因为缺少领域内公认的实验证据而难以破解。如若能够根据生产生活中的使用需求,通过人为调控非晶合金的非均匀性结构,优化非晶合金的材料性能,将使诸多领域受益无穷。

  当前,非均匀性调控是非晶合金学科领域中的主流研究内容,但国内的大科学测试实验平台建设尚处于起步阶段。经过8年的持续研究,兰司创新研究思路,依托格莱特研究所提供的国际化资源整合平台,借助澳洲、美国和日本的实验设备,将电子显微镜、原位中子散射和同步辐射高能X-射线衍射等实验手段相结合,绘制得出以钯基金属玻璃为原型的非晶合金相变顺序图,以更直观的数据解读方式,克服了以往使用单一实验手段,得出的结果缺少客观性和说服力的缺陷,揭示了通过传统的热处理方法,人为调控非晶合金结构的作用机理,为主流理论假设提供了有力论据。

  该成果推动了学科领域中基础理论层面的进展,进而启发不同金属元素基底的非晶合金材料应用研究的发展,为其研究提供了新方向和方法。今后,人们可以通过调控变压器中的铁基非晶合金的微观结构,强化材料的软磁性能,大大降低电压转化过程中的能量损耗,实现节能70%以上;通过调控燃料电池中的钯基非晶合金催化剂的非均匀性微观结构,人为制造丰富的催化点,使材料的催化效率提高数十倍,进而提升电池使用效率等。