供稿|張小東 / ZHANG Xiao-dong

內(nèi)容導(dǎo)讀

金屬原子不同于其他材料原子的散漫懶惰，它們是一個(gè)“緊密團(tuán)結(jié)，注意隊(duì)列”的整體。微觀層面，金屬原子被“影子教官”瘋狂軍訓(xùn)，從液體的亂而無(wú)序到固態(tài)的長(zhǎng)程有序，影子教官功不可沒(méi)。但是金屬原子也會(huì)走錯(cuò)場(chǎng)，站錯(cuò)位，影響了整個(gè)排面，所以“隊(duì)列”中就出現(xiàn)了缺陷。更有意思的是，如果科學(xué)家們故意作弄那些“聽話的金屬原子”，打亂他們整齊的隊(duì)列，賦予了他們新的特質(zhì)，并將這種結(jié)構(gòu)的材料稱之為金屬玻璃。

初中化學(xué)課本上，我們了解到常態(tài)下大多數(shù)金屬的微觀結(jié)構(gòu)是以晶體形式存在的，所謂的晶體結(jié)構(gòu)就是金屬原子在微觀層面上呈現(xiàn)空間有規(guī)律的重復(fù)性排列，就如同軍訓(xùn)中的我們一樣排面整齊。那么金屬原子為什么會(huì)如此注意排面和隊(duì)列呢？是否存在一個(gè)看不見(jiàn)的“影子教官”在對(duì)金屬原子進(jìn)行軍訓(xùn)呢？

金屬原子的“影子教官”

從石器時(shí)代到青銅器時(shí)代，人類的生存發(fā)展離不開金屬材料，人們對(duì)于金屬材料的探究也從未停止過(guò)，現(xiàn)有的元素周期表中金屬元素有90 個(gè)(總的118 個(gè))，占據(jù)絕對(duì)的霸主地位。同時(shí)人們還發(fā)現(xiàn)金屬在微觀層面上原子就像“受軍訓(xùn)的學(xué)生”一樣，排面整齊統(tǒng)一，如圖1 所示。

圖1 晶體結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)源：Beautiful Chemistry)

金屬原子為什么會(huì)排列如此規(guī)則，為什么不隨意站隊(duì)呢，其中的奧秘如何呢？眾所周知，宏觀物質(zhì)是由微觀的粒子組成的，常見(jiàn)的包括原子、分子以及離子。金屬一般是原子直接構(gòu)成，每個(gè)原子之間依靠什么樣的力結(jié)合在一起呢？

這個(gè)要追溯到1916 年，德國(guó)化學(xué)家科塞爾(Walther Kossel,1888 年—1956 年) 根據(jù)惰性原子性能穩(wěn)定的原因是原子核外有八個(gè)電子推斷穩(wěn)定的化合物必須要滿足元素原子的最外層電子數(shù)為八個(gè)[1]。同時(shí)科塞爾提出金屬原子的外層電子一般少于四個(gè)，如圖2 所示。這就使得金屬原子想要趨向于穩(wěn)定，必須要借相鄰金屬原子的最外層電子，因而金屬結(jié)晶過(guò)程中傾向于構(gòu)成極為緊密的結(jié)構(gòu)，使每個(gè)原子都有盡可能多的相鄰原子。

圖2 金屬原子結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)源：百度百科)

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)金屬的最外層電子并不是某幾個(gè)原子之間共享的，而是處于一種自由態(tài)，游離在整個(gè)金屬晶體之中，由于外層帶負(fù)電的電子成為了自由粒子，原子就失去了電平衡，原子變成了帶有正電的金屬離子，這些游離的自由電子與全部的金屬離子相互作用，形成了穩(wěn)定整個(gè)金屬晶體結(jié)構(gòu)的力，也稱之為金屬鍵[2]。

金屬鍵讓金屬原子緊密的堆疊在一起，那么又是如何讓他們成一定規(guī)律排列呢？金屬鍵實(shí)際上就了更好的控制這些原子，金屬原子傾向于緊密堆疊在一起。如果我們將原子看作一個(gè)鋼球如圖3 所示，單一平面內(nèi)金屬原子緊密堆疊周圍需要六個(gè)原子，同時(shí)也形成了六個(gè)空隙，單層堆疊完成以后，還需要空間的三維堆疊，層層堆疊都需要滿足最密排的原則，所以所有原子都按照一定的規(guī)則進(jìn)行排列[2]。

淘氣的金屬原子

是自由電子形成的一個(gè)電子云與晶體中所有的金屬原子形成的吸引力。所以金屬鍵是沒(méi)有飽和性的，不管來(lái)多少金屬原子都可以融入到這個(gè)大家庭之中，只需要金屬原子的最外層的價(jià)電子共享到電子云即可，同時(shí)金屬鍵也沒(méi)有方向性，所以金屬鍵為

大部分金屬原子都能夠按照隊(duì)形站立，但是也有部分金屬原子是“刺頭”。這些“刺頭”大概有三種，分別是點(diǎn)缺陷、線缺陷以及面缺陷[2]。

點(diǎn)缺陷是以小團(tuán)體形式存在的或者個(gè)體形式存在的，例如請(qǐng)假不進(jìn)行軍訓(xùn)，原有的位置被空出，這種我們也稱之為空位缺陷，或者找其他原子代替自己參加軍訓(xùn)的，我們稱之為雜質(zhì)缺陷，最后的隊(duì)列就變成了圖4 所示。

圖4 晶體點(diǎn)位錯(cuò)

線缺陷是在某一個(gè)隊(duì)列或者幾個(gè)隊(duì)列中出現(xiàn)偏移，這種偏移導(dǎo)致隊(duì)列的方向發(fā)生了變化，繼而導(dǎo)致整個(gè)排面混亂，就像我們軍訓(xùn)中的排頭兵出現(xiàn)了順拐，把我們都帶跑偏了，因?yàn)榭瓷先ゾ拖癖灰槐肚辛艘粯?，所以被稱之為刃型位錯(cuò)，如圖5 所示。

圖5 晶體線位錯(cuò)

面缺陷是在各個(gè)隊(duì)列之間產(chǎn)生的一種偏差，屬于二維層面上的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

“搗亂的”科學(xué)家教官

金屬原子在自然界中按照規(guī)則排列，是一個(gè)注重隊(duì)列排面的整體，雖然有一些原子比較淘氣影響了隊(duì)列的整齊，但是總得來(lái)說(shuō)還是一個(gè)團(tuán)結(jié)友愛(ài)的大集體。搗亂的科學(xué)家們不喜歡看他們整齊的樣子，充當(dāng)了破壞的急先鋒，將金屬晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為非晶結(jié)構(gòu)。

在日常生活中常見(jiàn)的非晶結(jié)構(gòu)物質(zhì)就是玻璃，其重要的一個(gè)外在體現(xiàn)是沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，在高溫下呈現(xiàn)一種似融非融的狀態(tài)(熔融狀態(tài))，所以科學(xué)家們將非晶金屬稱之為玻璃態(tài)金屬，也稱作金屬玻璃。

打破金屬原子的隊(duì)列并不是科學(xué)家有意為之的，1960 年美國(guó)科學(xué)家Duwez 等[3]在研究金-硅固溶體時(shí)，無(wú)意間在超高速冷卻條件下得到了無(wú)規(guī)律、長(zhǎng)程無(wú)序的非晶合金，并且將這一成果發(fā)表在Nature雜志上，在材料學(xué)界掀起了一股旋風(fēng)。從此以后，科學(xué)家開始從無(wú)意識(shí)的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向有意識(shí)的“搗亂”，金屬原子的有序隊(duì)列遭到了破壞。

金屬玻璃成型最常見(jiàn)的工藝是急速冷卻，高溫下金屬熔化變成液體狀，有序的晶體結(jié)構(gòu)變成了無(wú)序的非晶機(jī)構(gòu)，當(dāng)液體金屬在極高的冷卻速度下冷卻時(shí)，金屬原子還沒(méi)有來(lái)得及排列整齊，金屬溶液已經(jīng)凝固完成，金屬原子此時(shí)無(wú)法移動(dòng)，保持著無(wú)序狀態(tài)，就形成了非晶態(tài)金屬。這種非晶態(tài)金屬原子分布與金屬溶液中原子分布相似，所以非晶態(tài)金屬同時(shí)具備了金屬、非晶、固體和液體特性，被認(rèn)為是繼鋼鐵、塑料之后的新一代工程材料。

結(jié)束語(yǔ)

金屬作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最常用的材料之一，從簡(jiǎn)單的人工冶煉金屬到復(fù)雜的新材料制備，對(duì)于金屬的研究從未停止。金屬原子作為構(gòu)成金屬材料最小粒子單元，在一定程度上金屬原子的排列決定了材料性能。金屬原子受到金屬鍵的作用，在微觀層面長(zhǎng)程有序排列，形成晶體結(jié)構(gòu)。但也有部分原子不受管教，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，這些亂而無(wú)序的原子排列賦予了金屬新的特征。用辯證發(fā)展的眼光去看待事物，發(fā)現(xiàn)缺陷并不僅僅是一種殘缺的美，更是通往另一個(gè)科學(xué)世界的鑰匙。