金属和玻璃如何融合

【英国《经济学家》周刊３月１３日一期文章】题：透过黑暗的金属
表面上看，金属和玻璃是差别非常大的物质。金属有延展性且不透明，而玻
璃则易碎而透明。透明的金属，或者一枚由玻璃制成的导弹，对人们来说是难以
想象的。但是在这两种材料之间令人着迷的空白实验地带上，一些研究人员正在
忙碌，他们的工作有可能使很奇异的想法变成现实。
玻璃金属
在过去几个星期内，得克萨斯州休斯敦的赖斯大学和宾夕法尼亚州立大学的
研究人员一直在研制透明金属，他们使用的是从快速发展的“中孔性”固体研究
领域借来的新技术。正如它们的名称所示，中孔性固体是一些内含有序小孔结构
的材料，孔的直径只有几千纳米，它们是用“献身”硅球确定孔状结构这一工艺
制成的。
这些硅球的直径为４０纳米，按一种规则的模式堆在一起（像堆着的水果）
，加热到８００摄氏度后就粘在一起。然后经过一系列化学步骤，在这些球体的
本已很小的空隙之中再填入第二种材料。最后用盐酸把硅球溶解。
得到的产物是一种固体，里面充满着紧紧堆叠在一起的圆孔，这样固体的７
５％是空的。由于圆孔之间的间隔比可见光的波长（在４００到７００纳米之间
）要短得多，所以这种材料只是有一点点散光。换句话说，它们是透明的。
尽管这种方法原先是用来制造多孔聚合物的，但是宾夕法尼亚州立大学的托
马斯·马洛克及其同事一直试着在金属等其他材料上采用这种方法。他们还未公
布研究结果，所以他们不愿透露到底在研究哪些金属。但是，马洛克博士说，他
们目前制出的透明金属是带颜色的，像淡云玻璃。赖斯大学的维基·科尔文也在
使用类似的方法研制具有透明性等不寻常光学性质的多孔金属。科尔文博士说，
依孔径大小的不同（大小可用不同的“献身”硅球来改变），她制成的金属有的
像淡彩色烟玻璃，有的像半透明的猫眼石，有的则像蝴蝶翅膀一样颜色绚烂（颜
色取决于微小的表面特性，而不是颜料）。
尽管这样的金属听起来似乎令人难以置信——科幻小说迷们可能会想起在某
部星际旅行影片中出现的“透明铝”，但实际上它们有希望派上很大用场。比如
，透明金属也许可用在平板显示器和其他既要导电又要透明的装置中。它们可能
是有用的催化剂，代替目前在汽车、炼油厂等各个领域使用的金属海绵。用多孔
金属制成的衍射光栅有可能用来调节Ｘ射线显微镜的光束，这是用透镜和镜子无
法办到的。
通过调节孔径的大小可把某种特别的带电原子（离子）正好安放到每个小孔
中，通过施加电压还有可能控制穿过多孔金属的粒子流。这有很多用途，比如过
滤和分离，把重粒子从水中析出，施药以及探测溶液中浓度极低的离子等。科罗
拉多州立大学的研究人员查尔斯·马丁已利用多孔黄金制造出一种实验性的传感
器，能够探测浓度低到一百亿分之一的某种离子。
金属玻璃
当一些研究人员在研究玻璃状金属的性质时，还有一些人在研究金属玻璃。
从理论上讲，玻璃是一种在从液体冷却成固体的过程中没有发生结晶过程的材料
。大多数金属在冷却过程中会结晶，呈现出随机的金属颗粒形态，颗粒内的原子
排列是有规则的，但是快速冷却能够阻止晶体的形成。最后得到的是一种随机多
孔的原子排列，更像是非常黏稠的液体而不像是固体。
金属玻璃是加利福尼亚理工大学的波尔·迪韦首次开发成功的。他把金和硅
的一种混合物以每秒钟１００万摄氏度的速度冷却，制成一种金属玻璃合金。此
后，研究人员又制出一些含有四种或者更多种金属的新合金，其中的金属是以低
得多的冷却率形成金属玻璃的。
实验得到的材料看起来与别的金属非常相似，但是有一些非同寻常的性质。
一般的金属在晶体结构和金属颗粒的边界之间含有一些缺陷。一种称为错位的缺
陷非常像地毯上的褶皱，并且使金属在受到压力时可以在内部发生滑动和变形。
由于金属玻璃没有这些缺陷，因此能够支撑更重的物体而不发生变形，这样就比
通常的金属更坚固。
约翰斯·霍普金斯大学的托德·胡夫纳格尔正与美国陆军合作，制造用于穿
甲弹的金属玻璃合金。加利福尼亚理工大学的研究发现，与在受到冲击时被压扁
成钝滞蘑菇形的常规弹头不同的是，金属玻璃弹的侧面会转向，这实际上使弹头
更锐利（贫化的铀也有相似的性质，但是对环境却有害）。加利福尼亚理工大学
在金属玻璃领域做出了开创性研究的威廉·约翰逊说，金属玻璃的强度还使它适
合制造飞行器的构件、装甲板和生物医学移植物。但是在这些特异金属形态的所
有可能用途中，至少有一个用途比较实际。作为研究的结果，约翰逊建立了一家
公司，出售称为“液体金属杆”的昂贵金属玻璃高尔夫球杆。这种球杆没有一般
金属高尔夫球杆含有的晶体缺陷，在受到冲击时吸收的能量较少，因此可以把更
多的能量传送给球。