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液态金属手机

[液态金属手机]液态金属手机:液态金属手机出品:科普中国制作:中科院福建物质结构研究所/吴臣监制:中国科学院计算机网络信息中心在科幻电影《变形金刚4》中,一家科技公司研制出了一种“可随意变换形态”的金属材料。以这种材料制
液态金属手机

出品:科普中国 制作:中科院福建物质结构研究所/吴臣 监制:中国科学院计算机网络信息中心

在科幻电影《变形金刚4》中,一家科技公司研制出了一种“可随意变换形态”的金属材料。以这种材料制成的人造机器人可以随意控制自己的外形。类似情节在电影《终结者》中也有出现,以某种金属材料制成的机器人,可随意改变形态。这两部电影中,这种材料是产自“赛博坦星球”的液态金属。

无独有偶,最近有报道称2015年年底将有一款全液态金属智能手机发布,听起来很炫酷,那么,现实中的“液态金属”能否像电影中那样,随意变换形态呢?

液态金属手机究竟是什么

变形金刚4电影截图

液态金属:原子排布不规则的固态金属

为了回答这个问题,首先需要知道液态金属得名的原因。我们知道物质一般具有固、液、气三种状态对应温度由低升高时的三种状态。 从原子结构角度来看,三种状态的区别在于原子的空间排布形式。

对于大多数的物质,固态时都以晶体形式存在,即原子规则排布;在液态物质中,虽然原子之间相互的间距与晶体类似,但原子不再具有规则的排布;当温度进步一步升高达到气态时,原子之间的间距进一步增加,以至于气态物质中原子之间的相互作用力远远小于液态和固态。

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固态,液态和气态时的原子排布示意图

针对这三种不同的原子结构,长久以来人们产生了一个想法:能否得到原子排布不规则的固态金属。

最开始的思路是,将液态的金属快速冷却,当冷却的速度足够快时,金属中的原子来不及移动至原子规则排布所需要的位置,因此液态金属的结构得以保留至室温。

这种固态金属就是液态金属,它有固态金属的硬度且不可流动,但其原子结构更接近于液态金属。与传统固态金属材料多为晶体不同,这种金属的原子排布无序,因此也被称为非晶合金。液态金属是非晶合金的另外一种称号,而非晶合金是更一般的名称。

总结起来就是:科幻电影中的液态金属有液体般流动性、可随意改变形状、而且具有金属的高强度。这属于影视作品中的夸张。实际中的液态金属,一般被称为非晶合金,它是固体。

最早制备的液态金属

非晶合金的研究始于上世纪60年代,美国科学家Duwez教授采用喷枪技术将Au75Si25熔体快速冷却(冷却速率约为每秒降低106 开尔文),第一次制备出非晶合金。因此,Duwez被认为是非晶合金领域的奠基人。

在随后的几年中,人们在众多合金体系中开发出了非晶合金。但这些非晶合金以薄带、细丝和粉末等形态为主,限制了非晶合金进一步的应用。直到20世纪80年代后期,人们开发出来能够制备得到较大尺寸非晶合金的金属体系,非晶合金才慢慢开始工业化应用。

液态具有那些性质和应用呢?

“流动性”

不同于金属晶体材料,非晶合金具有优异的加工性能、优异的力学性能,因此获得了人们广泛地关注。例如由于非晶合金的原子结构更接近于液态,因此其“流动性”比传统的静态金属材料更好,在加工时,更容易利用模具进行精确加工成型。

下图为人们利用非晶合金加工而成的微型齿轮。许多情况下采用传统材料很难做出一定形状的微型元件,而非晶合金的出现完美地解决了这个问题。因此,在微型电子设备领域,非晶合金将会发挥巨大作用。在未来,我们可能看到以非晶合金为外壳的微型机器人,在我们的身体中为我们的健康保驾护航。

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采用非晶合金精确成型的尺寸为几百微米的齿轮(1微米=10-6米)

高弹性

另外,传统的晶体材料虽然原子排布有序,但是由于各种各样的问题,导致实际制备的材料,其原子并不是如理论那样完全规整排列。这就是我们所说的缺陷。

不要小看这些缺陷,它们数量虽然不一定很多,但是对晶态材料的性质起了重大的影响作用。例如,纯金属的弹性是自然界中最好的,但是由于这些缺陷的存在,实际制备的金属材料弹性比纯金属的理论弹性要差很多。

非晶合金,由于其本身原子排布无序,所以天生不存在这个缺陷。这就导致非晶合金的弹性更接近于纯金属,比普通的晶态金属材料高很多。从下面的视频中,我们就可以很容易地得出这个结论。

液态金属的弹性

视频中,两个金属球同时以相同高度从竖直的玻璃管中下落,左边是以钛元素为主要成分的非晶合金球,右边是用普通合金制成的金属球。

从视频中可以看出,左边非晶合金小球的弹起高度明显高于右边的普通合金球,当右边的小球已经基本落于底面时,非晶合金小球仍然有很明显的弹起。

利用非晶合金高弹性的这个优点,人们将其制成了高尔夫球杆,这种球杆击球的速度要远高于普通合金制成的球杆。

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采用非晶合金制成的高尔夫球杆

耐腐蚀和低电磁损耗

此外,晶态金属材料中的原子排布缺陷,还会导致材料容易被酸性液体腐蚀生锈。用非晶合金替代金属材料,这些问题都可以得到圆满的解决。例如,可以将非晶合金附着于需要进行耐腐蚀处理的材料,如油管内壁、海上钻井平台支撑材料和舰船的外表面等。这使得材料的耐腐蚀性得到大大的加强。

将晶态金属作为电力元件,如变压器铁芯用于发电时,其中的缺陷还会导致电磁能的损耗。而用非晶合金制成的铁芯损耗极低,这也是非晶合金目前的一种重要应用。

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采用非晶合金制备得到的变压器铁芯

金属光泽

非晶合金也开始被用于电子产品的外壳,如存储产品和手机。苹果公司日前将美国Liquid Metal科技公司的非晶合金独占使用权续约至2016年,越来越多的传言表明今后的某代苹果手机将具有非晶合金外壳。这是由于非晶合金除了耐腐蚀性强,容易成型等优点外,还具有金属光泽。

高强度

非晶合金本身具有的金属特性使得他的强度比一般塑料材料高很多,因此人们不必再担心手机外壳由于外力的作用断裂,也不必担心手机的外壳出现划痕,影响心爱手机的美观。这些特性使得非晶合金成为一种理想的外壳材料,如前文所述,今年将有一款全液态金属的手机在年底上市。

人们对于非晶合金仍然存在着很多的未知。诺贝尔物理学奖获得者安德森教授将理解非晶合金的形成与性质列为待解决的100个凝聚态物理重大难题。

我们有理由相信,随着科研技术的不断发展和公众关注度的不断提高,终有一天人们可以完全掌握非晶合金的原子结构,从而指导设计和合成具有某种性质的非晶合金。

到那时,也许真的会有人造变形金刚,即人造机器人,出现在我们的日常生活中,改善我们的生活质量。

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王真 本文来源:网易科技报道 责任编辑: 王晓易_NE0011
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