新型金属玻璃超越钢铁，成为迄今为止最坚韧、最坚固的材料

加州的材料科学家采用一种可能产生新材料制造方法的配方，制成了一种强度和韧性超过任何已知材料的特殊金属玻璃。

这种玻璃是一种由钯制成的微合金，其化学结构可以抵消玻璃固有的脆性，同时保持其强度。它的密度不大，比钢更轻，重量与铝或钛合金相当。

“它可能是迄今为止强度和韧性的最佳结合，”劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家罗伯特·里奇 (Robert O. Ritchie) 说道，他是一篇描述这种新型玻璃的论文的作者之一。“它不是有史以来最坚固的材料，但绝对是强度和韧性结合最好的材料之一。”

换句话说，有些材料更坚韧，但强度较低；有些材料更坚固，但强度较低。​​要理解这一点，你必须定义强度和韧性之间的区别。强度是指材料在变形前能承受多大的力。韧性解释了破坏或损坏某物所需的能量；它描述了物体吸收能量的能力。大多数时候，这些特性是相互排斥的。“终极目标是同时获得这两种特性，”里奇说。

想想陶瓷杯——它非常坚固，在轻松承受冷热温度的同时保持其形状。但它并不是很坚韧——没有弹性，没有弯曲性，无法防止它在掉到地上时摔碎。另一方面，橡皮筋很坚韧，可以拉伸和扭曲以缠绕你的报纸、鸡蛋盒和无数其他物品。但它很脆弱，不需要太多能量它就会变形和断裂，并以痛苦的反冲力反弹回你身上。

强化玻璃并非新鲜事物——康宁公司的大猩猩玻璃用于手机、笔记本电脑和电视，它通过压缩离子化学强化，有助于防止破裂和碎裂。Pyrex 玻璃自 1915 年以来一直用于望远镜镜面和烤盘，它经过热强化以抵抗破碎。但这两种玻璃都缺乏制造飞机或桥梁等物品所需的韧性。

理想的结构材料既坚固又坚韧，钢就是一个很好的例子。新玻璃的强度和韧性的结合比任何钢都要好得多。

“当你建造一种结构材料时，你希望它尽可能坚固，但其限制特性是必须具有抗断裂性，即尽可能坚韧，”里奇说。“例如，金门大桥是用强度相对较低的钢材建造的，因为你希望它先弯曲，而不是毫无征兆地发生灾难性断裂。”

玻璃材料通常非常脆——它们在剪切带形成后断裂，剪切带是狭窄的应变区，最终会变成裂缝。一旦剪切带形成，几乎不可能阻止裂缝的形成。但里奇解释说，钯的性质改变了这种动态。剪切带不再在整个玻璃中传播，而是形成大量剪切带并自行卷曲，需要更长的时间才能变成裂缝。剪切带使材料在断裂前可以弯曲——这不是玻璃所具有的性质。

“这些剪切带很容易形成，但它们很难变成裂缝。最终结果是，你会形成许多剪切带，这会导致塑性——你可以很容易地弯曲它，”里奇说。

加州理工学院的研究人员在 Marios D. Demetriou 的带领下，多年来一直在研究金属玻璃，使用各种配方来增强其韧性或防止其破碎。例如，之前的迭代涉及引入结晶相来阻止剪切带的轨迹。新玻璃根本没有晶体，只有钯与磷、硅、锗和银的微合金。

“每种元素都想以自己的形式有效结晶，但如果有五种元素，材料就会混乱——它不知道该以哪种方式结晶，因此结晶过程会减慢，”里奇说。“它是 100% 玻璃；没有什么可以阻止裂缝，我们认为这是一个重要的进展。”

加州理工学院的研究人员接下来想尝试其他金属配方。

由于所用金属量大，且冷却过程复杂，这种玻璃成本高昂且制造难度大。因此，短期内你不会看到钯玻璃飞机和桥梁——但这种材料及其制造工艺为这些建筑的未来带来了希望。

“对于桥梁、轮船、航天器和发动机材料，你希望兼具强度和韧性。坦率地说，这确实提供了一种方法，可以用玻璃这种最不可能的材料来实现这一点，”里奇说。

这种新型玻璃在本周的《自然材料》杂志上进行了介绍。