В наши дни металлические стекла, полностью состоящие из атомов металлов, разрабатываются для биомедицинских применений, таких как сверхострые хирургические иглы, стенты, искусственные суставы или имплантаты, поскольку сплавы могут быть сверхтвердыми, сверхпрочными, очень гладкими и гладкими. устойчивы к коррозии.Хотя сочетание проб и ошибок и научных исследований помогло со временем усовершенствовать процессы производства стекла, контроль создания металлических стекол на атомарном уровне остается неточной задачей, основанной в основном на долгом опыте и интуиции.«Наша работа, — говорит Пол Войлс, — состоит в том, чтобы построить фундаментальное понимание, добавляя больше данных».
Профессор Беквит-Баском в области материаловедения и инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон, Войлс и его сотрудники в Мэдисоне и Йельском университете добились значительных экспериментальных успехов в понимании того, как, когда и где постоянно движущиеся атомы в расплавленном металле «блокируются». место по мере перехода материала от жидкого к твердому стеклу.Они описали то, что они наблюдали о том, как эти атомы перестраиваются при разных температурах с течением времени сегодня (19 марта 2018 г.) в журнале Nature Communications.
Это знание может добавить столь необходимую экспериментальную ясность нескольким конкурирующим теориям о том, как происходит этот процесс, называемый стеклованием. Это также может помочь сократить время и затраты, связанные с разработкой новых материалов из металлического стекла, и предоставить производителям более полное представление о конструкции процесса.Одна из проблем обработки заключается в том, что по мере того, как металлы переходят из жидкого жидкого состояния в твердое, они имеют тенденцию образовывать упорядоченные, регулярно повторяющиеся атомные структуры, называемые кристаллами. Напротив, стеклянные материалы имеют сильно разупорядоченную атомную структуру.
И хотя создание высококачественного металлического стекла звучит так же просто, как предотвращение образования кристаллов атомами металла при охлаждении материала, на самом деле это в некоторой степени зависит от удачи розыгрыша.«Процесс изготовления стекла и процесс, заставляющий кристалл конкурировать друг с другом, и тот, который побеждает — тот, который происходит быстрее, — определяет конечный продукт», — говорит Войлс, чью работу поддерживает Национальный научный фонд и Министерство энергетики США.В жидкости все атомы все время движутся мимо друг друга. Когда расплавленный металл охлаждается и начинает превращаться в твердое тело, его атомы замедляются и в конечном итоге перестают двигаться.
Это сложный танец атомного уровня, который ученые все еще разгадывают. Опираясь на свой опыт в электронной микроскопии и анализе данных, Войлс и его сотрудники измерили, сколько времени в среднем требуется для атома, чтобы получить или потерять соседние атомы, когда его окружение колеблется в расплавленной жидкости.«Атом окружен множеством других атомов», — говорит Войлс. «При действительно высоких температурах они подпрыгивают, и каждую пикосекунду (одну триллионную долю секунды) у них появляется новый набор соседей.
По мере снижения температуры они остаются со своими соседями все дольше и дольше, пока не останутся навсегда».При высоких температурах все атомы движутся быстро. Затем, когда жидкость остывает, они движутся медленнее; Простое описание может заключаться в том, что все атомы замедляются вместе с одинаковой скоростью, пока они не перестанут двигаться и материал не превратится в твердое стекло.
«Мы экспериментально продемонстрировали, что этого не происходит», — говорит Войлс.Скорее, говорит он, эксперименты его команды подтвердили, что время, необходимое атомам, чтобы закрепиться на месте, сильно варьируется — по крайней мере, на порядок — от места к месту внутри одной и той же жидкости.«Некоторые области нанометрового размера сначала становятся« липкими »и очень долго держатся за своих соседей, тогда как между липкими частями находятся кусочки, которые перемещаются намного быстрее», — говорит он. «Они продолжают колебаться в 10 раз быстрее, чем в медленных частях, а затем все становится медленнее, но липкие части также становятся больше, пока липкие части не« побеждают »и материал не становится твердым».
Теперь он и его сотрудники работают над тем, чтобы понять, чем отличается расположение атомов между медленной и быстрой частями.«Это следующая большая недостающая часть головоломки», — говорит он.
«Прогресс предоставляет ценную информацию о фундаментальном процессе, посредством которого каждый стеклянный материал — от оконного стекла до пластиковых бутылок, фармацевтических препаратов и многих других — превращается из жидкости в твердое вещество», — говорит Войлс.«Это действительно фундаментальная наука», — говорит он. «Но в конечном итоге потенциальное влияние на приложения будет иметь место, если мы действительно поймем, как это работает на атомарном уровне, это даст нам возможность встраивать контроль, который позволяет нам делать очки из того, что мы хотим, вместо того, чтобы получать очки только тогда, когда нам повезет. "