人们使用熔融的沙子并加入其他成分来制造玻璃，时尚珠子，器皿，镜片和窗户已经有上千年的历史。最近，完全由金属原子制成金属玻璃，正在被开发用于生物医学。例如超尖锐的外科手术针，支架和人造关节或植入物。这是由于合金超硬，超强，非常光滑并且耐受腐蚀等。
Paul Voyles说：“随着时间的推移，尝试和错误以及科学研究的帮助完善了玻璃制造过程，而在原子层面控制金属玻璃的制造仍然是一项不精确的工作，这在很大程度上取决于长期的经验和直觉。我们的工作是通过增加更多的数据来建立基础资料。”
威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系的Beckwith-Bascom教授，Voyles以及麦迪逊和耶鲁大学的合作者，已经发现了在液态玻璃转变为固态玻璃过程中，熔融金属中不断移动的原子在何时以及何处锁定的。
今天在《 Nature Communications》期刊上发表的文章对不同温度下原子的重新排列的情况进行了阐述。正是这些资料，才能为几种相互竞争的理论增加必要的理论依据即玻璃化转变的发生机理。这些资料还有助于减少开发新的金属玻璃材料的时间和成本，并使制造商对工艺设计有更深刻的了解。
金属从熔融液体转变为固体过程是一项不小的的挑战。它们倾向于形成有序的，定期重复的称为晶体的原子结构。相反，玻璃材料具有高度无序的原子结构。在制造高性能金属玻璃时，听起来就像在材料冷却时防止金属原子形成晶体一样简单，但实际上它的合理成型就跟中彩票的概论相当。
Voyles说：“制造玻璃的过程就是晶体相互竞争胜出的过程 – 那一部分以更快的速度发生 -那一部分就决定了最终产品。”他的工作得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。在液体中，所有的原子的运动都是无序的。当熔化的金属冷却并开始向固体过渡时，它的原子会慢下来，并最终停止运动。
这是一个复杂的原子级别移动过程，科学家们仍然在为解开这个移动过程而努力。凭借他们在电子显微镜和数据分析方面的专业知识，Voyles和他的合作者已经测量了一个原子平均需要多长时间来获得或失去相邻原子。Voyles说：“在熔融液体中温度非常，原子会在每一皮秒（万亿分之一秒）内发生反弹，它们总是不断地与新原子接触。随着温度的降低，它们会与周围原子保持越来越长的距离，直到它们永久地粘在一起。”
Voyles说：“在高温下，原子都快速移动。 然后，当液体冷却时，它们移动得更慢; 一个简单的描述可能是，所有的原子以相同的速度一起慢下来，直到它们停止移动并且材料变成坚固的玻璃为止。我们现在已经通过实验证明了这是不可能发生的。”
Voyles的研究小组的实验证实，在同一液体内不同位置之间原子锁定到位的时间差异很大-最少也要差一个数量级。一些纳米尺寸的区域，首先变得具有“粘性”，相对于周围的原子粘性状态要保持一段时间。在粘性的位之间是移动速度更快的位，移动较快的原子部分比缓慢的部分波动要快10倍左右，随着时间的推移移动速度变慢，粘性部分也变得更大，直到粘性部分占据了多数，材料变得坚固。现在，他和他的合作者正在努力了解慢速和快速部分之间原子排列的不同之处。
慢速和快速部分之间原子排列的不同之处是这个难题的下一个重大缺陷，这一进展提供了关于每种玻璃材料（从窗户玻璃到塑料瓶到药物制剂等等）从液体过渡到固体的基本过程的宝贵信息。Voyles说：“这真是基础科学。但是，对于应用程序来说，最终的潜在影响是如果我们真正理解材料在原子级别如何工作，这就使我们有机会构建控制系统。通过控制系统可以得到我们想要的理想材料而不是只有在幸运的情况下才能得到。”
原文来自phys
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