提到液態(tài)金屬,第一反應(yīng)可能就是《終結(jié)者2》當(dāng)中的液態(tài)金屬機(jī)器人,它可以幻化成任何形狀,能夠承受各種破壞,更神奇的是它還充滿只能。問題是液態(tài)金屬真有這個(gè)能耐嗎,它離現(xiàn)實(shí)生活究竟有多遠(yuǎn)。
也許不遠(yuǎn)的將來,在手機(jī)外殼的材質(zhì)上,我們將首先與液態(tài)金屬有個(gè)“親密接觸”。
早在去年iPhone 5尚未面世的時(shí)候,坊間就流傳著蘋果將會(huì)在下一代產(chǎn)品中拋棄鋼化玻璃,轉(zhuǎn)而采用液態(tài)金屬外殼。雖然最終答案并非如人所愿,但是期待卻絲毫沒有降低。
今年年中,當(dāng)美國(guó)專利及商標(biāo)局授予蘋果子公司Crucible一項(xiàng)用于量產(chǎn)液態(tài)金屬薄片的技術(shù)專利;而蘋果的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手HTC和中國(guó)臺(tái)灣當(dāng)?shù)氐耐鈿ぶ圃焐探馨顕?guó)際達(dá)成了合作,且從日本招募了一個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì),著力液態(tài)金屬手機(jī)開發(fā),人們相信未來的手機(jī)一定會(huì)穿上這“磨不壞,壓不扁”的金剛戰(zhàn)衣。
上世紀(jì)60年代人們首次在實(shí)驗(yàn)室成功制備這種金屬,當(dāng)時(shí)就被它與眾不同卻無與倫比的特性所吸引:高強(qiáng)度、高柔韌性且可以和玻璃一樣不需要二次打磨,可以一次性成型各種復(fù)雜形狀……因此,業(yè)界更喜歡將它稱作“金屬玻璃”,或者學(xué)名:非晶態(tài)金屬。
不過,要大規(guī)模地制備這種“未來材料”卻并非易事。從第一代幾納米厚,到現(xiàn)在25毫米厚,人們探索了半個(gè)世紀(jì)。
制備的曲折路
玻璃和金屬,這是人們?nèi)粘I钪须S處可見的材料,不過卻有著完全不同的性質(zhì)。金屬富有光澤,并且導(dǎo)電,富有延展性,然而卻無法和玻璃一樣能夠隨心所欲地做成各種各樣的形狀,并且同時(shí)保持表面平滑。玻璃雖然可以被藝人們吹制成各種各樣的燈具、裝飾品,但是在硬度強(qiáng)度上卻始終難以比肩各種金屬合金。所以,即便在日常生活工作中,人們經(jīng)常需要制備一些極端復(fù)雜形狀的金屬,但是礙于傳統(tǒng)有限的打磨加工工藝,只能夠不了了之。
科學(xué)家們是科技界的藝術(shù)家。自從他們發(fā)現(xiàn)將不同的金屬按照一定比例放在一起,可以制備出性能優(yōu)異的合金時(shí),夢(mèng)想也開始慢慢的變大了。他們希望能夠金屬如同和玻璃一樣被“吹制”,做成各種各樣極端復(fù)雜的形狀的同時(shí)依然保持堅(jiān)固。
不過,要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想,并非容易的事情。從化學(xué)的角度來看,金屬屬于晶體。若是顯微鏡足夠厲害,那么人們就會(huì)發(fā)現(xiàn)金屬內(nèi)部如同有無數(shù)個(gè)“小方陣”?!靶》疥嚒眱?nèi)的金屬原子手拉著手,以一種被稱作“金屬鍵”的形式緊緊的組合在一起。要將這些“小方陣群”打散還相對(duì)容易,若是要將“小方陣”內(nèi)部的金屬原子打散并且保持固態(tài)就十分的困難。因?yàn)?,它們之間仿佛會(huì)如同商量好一樣,隨時(shí)隨地想形成“小方陣”。
不過,玻璃卻不一樣,屬于非晶體的范疇。若是將金屬看作無數(shù)“小方陣”組成的一個(gè)“大方陣”的話,那么玻璃這種非晶體就可以看成直接由原子組成的大方陣,沒有小集體的存在。也因此,要將它完全打散也且保持固態(tài)就相對(duì)容易。
“所以,如果金屬內(nèi)部的原子也可以如同玻璃一樣,不搞小團(tuán)體,是否就會(huì)同時(shí)擁有非晶體和晶體的優(yōu)點(diǎn)呢?”科學(xué)家們很容易就從這兩種不同物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中看到了異同點(diǎn),也同時(shí)有了努力的目標(biāo):打破“小方陣”,讓金屬晶體內(nèi)部“非晶體化”。
要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的第一步就是將金屬內(nèi)部所有的“小方陣”徹底打破。這并不難,只要將溫度升到足夠高,變?yōu)橐簯B(tài),就可以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵诓粩嗟募訙丶訜徇^程中,這些金屬原子們能量會(huì)越來越高,相互碰撞會(huì)越激烈,最終支離破碎。但是,問題是一旦從液態(tài)降溫,這些原子們就在釋放能量的同時(shí),又會(huì)悄悄地按照以前的方式重新組合。所以,科學(xué)家必須和時(shí)間賽跑,讓這些金屬原子還沒有移動(dòng)到位時(shí)就馬上凝結(jié)成固態(tài),這樣,非晶態(tài)金屬就可以制備了。
20 世紀(jì) 60 年代,美國(guó)加州理工學(xué)院的皮·杜威就將熔化的金屬倒入一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的銅制圓筒,超高速降溫,就能得到凍膠狀的金屬片。盡管這種金屬片只有幾納米厚,但是金屬玻璃的問世還是給了科學(xué)家們很大的勇氣和力量。
不過,這種方法需要的降溫速度實(shí)在太快了,因此金屬只能做成薄層狀來加快散熱。冶金學(xué)家發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)薄層在每秒一百萬攝氏度的速率下冷卻時(shí),才能形成金屬玻璃。而這種玻璃最多也就是做一些很薄的條狀物、導(dǎo)線或者是粉末,無法實(shí)際應(yīng)用。
辛勤的探索終于盼來了曙光。上世紀(jì)90年代初期,皮·杜威的學(xué)生承接了老師的衣缽,利用合金疾速冷卻和添加大金屬原子的辦法,制備了一種能被稱為”Vitreloy”的新型材料。這種包含了鋯、鈦、銅、鎳等大金屬原子以及較小的鈹金屬原子的材料相比于鋼更有彈性,而且鍛造溫度僅僅需要400攝氏度,遠(yuǎn)低于鍛造鋼所需要的1000攝氏度高溫。這種高硬度的產(chǎn)品首先被他們用到了高爾夫球桿上。相比于傳統(tǒng)金屬球桿,擊球時(shí)幾乎不會(huì)因?yàn)樽冃味鴵p失能量。
然而,他們很快發(fā)現(xiàn),這種材料擁有了玻璃這樣的易于塑形的特性,但同時(shí)也非常易碎!其實(shí)非常容易理解,普通合金中金屬原子有自己的小集體,即便有因?yàn)閾舸蜃屢徊糠帧靶》疥嚒敝g出現(xiàn)“裂縫隔閡”,但是在“裂縫”擴(kuò)展時(shí)也會(huì)因?yàn)楹芸炫龅狡渌瘓F(tuán)而終止。不過在非晶態(tài)金屬當(dāng)中,由于沒有這樣的大單位存在,就很容易一破到底。因此,要解決如此問題,就需要給“裂縫”來點(diǎn)攔路虎。
2003 年,美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的約瑟夫·普恩和加里·西弗賴特宣布,他們利用碳、鐵和少量錳,成功研制出“鋼玻璃”。
不具有的性質(zhì)
一開始,人們是希望這種非晶態(tài)金屬能夠保持金屬的本性,提高其強(qiáng)度和韌性,并且能夠和玻璃一樣直接制備復(fù)雜形狀的設(shè)備。然而,隨著制備工藝的不斷進(jìn)步,他們也逐漸發(fā)現(xiàn)了其他絕活。
首先,它們具有非常優(yōu)異的抗腐蝕性。這個(gè)本事在金屬家族可是只有例如金、鉑等“貴族金屬”才有的本領(lǐng)。其他例如鋁、鐵、鋅等“平民金屬”時(shí)時(shí)刻刻要受到腐蝕。
多年以來,人們?yōu)榱颂岣呓饘俚目垢g做足功課。在對(duì)非晶金屬的研究中,科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn),由于有別于自然金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu),這種非晶態(tài)合金在自然環(huán)境中不太容易因?yàn)椴煌饘僭与娢徊煌鴮?dǎo)致腐蝕微電池的形成。更重要的一點(diǎn)是,它可以以非??斓乃俣仍谄浔砻娲┥弦粚印胺缽椧隆?,形成鈍化膜,阻止外界的進(jìn)一步腐蝕,保持本我。
非晶態(tài)金屬合金相比目前最好的鋼材強(qiáng)度和柔韌性要分別高出3倍和10倍以上,雖然科學(xué)家們?cè)跒槠浯笮突a(chǎn)嘔心瀝血,成績(jī)斐然,但是仍然面臨很多問題。
首先,即便是世界上最先進(jìn)的公司,能夠制備的非晶態(tài)金屬厚度也不超過25毫米。雖然性能十分優(yōu)異,但是限制死了實(shí)際應(yīng)用范圍。就目前而言,人們也最多只能制做iPhone的SIM卡取卡針和手機(jī)外殼這樣的低厚度產(chǎn)品。此外,這些非晶態(tài)金屬內(nèi)部的金屬原子雖然無法再次“抱團(tuán)”,形成“小方陣”,但是仍然有這樣的“意愿”。若是不能將它們安置到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),它們就會(huì)很快地變回去,成為普通金屬。所以,目前科學(xué)家們的攻關(guān)方向之一就是讓那些金屬玻璃穩(wěn)定一些,再穩(wěn)定一些,忘記過去。
目前,金屬玻璃在實(shí)際使用當(dāng)中,雖然范圍有限,可是已經(jīng)有很多廠商對(duì)這塊“蛋糕”躍躍欲試。Liquidmetal Technologies是全球第一家專門生產(chǎn)大塊非晶合金的公司。這個(gè)成立于1987年的公司被認(rèn)為是較為權(quán)威的國(guó)際非晶科技研究組織,他們的產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用在例如體育運(yùn)動(dòng)、電子產(chǎn)品和醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域。
而現(xiàn)在蘋果取得了他們這項(xiàng)新型金屬科技的獨(dú)家使用權(quán)(主要是外殼和附件制造),Liquidmetal希望蘋果能在一款突破性產(chǎn)品上使用液態(tài)金屬,為人們帶來革命性的用戶界面和工業(yè)設(shè)計(jì),并且很難被其他材料所復(fù)制和模仿。