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舌尖上的中国 & 金属玻璃材料研究 精选

已有 9598 次阅读 2014-6-12 04:30 |个人分类:金属玻璃|系统分类:科普集锦| 金属玻璃, 舌尖上的中国


最近《舌尖上的中国》节目吸引了众多的关注,我时不时在朋友圈里看到有人分享这个节目的视频链接或者写一些简短的评论。看《舌尖》这个节目,我最深的两个感触:一是优美的画面,再就是体现了烹饪饮食中的科学文化。且不说那些色香味俱全的美味,《舌尖》至少是一个优雅而不失深邃的饮食科普视频。可能大家都能做几个家常菜,这是祖祖辈辈的经验的传承,但不知能有多少不学生物的人能透过那色美味绝的美食看到其中蕴含的科学知识。《舌尖》节目用优雅的色彩宣传了中国的美食,又介绍了烹饪中的科学知识。脂肪转化的热量是等量蛋白质和碳水化合物的两倍白面加入盐水使蛋白分子的阵列变得紧密,从在乳酸菌的作用下,蔬菜中的糖转化成乳酸,造就了酸菜酸爽的风味高温破坏菜籽的细胞结构,降低蛋白质对油脂的吸附力,使油脂分离变得容易等等无不彰显着烹饪的科学性。所以,炒菜是一个高技术含量的活。

 

材料学研究也经常被通俗的称为炒菜。各种原材料,比如各种金属、氧化物、有机物、气体等,就像是炒菜中的各类蔬菜和肉类;而制备材料的各种方法,比如烧、压、溶、淬、萃等,类比于炒菜中的煎、炒、蒸、煮、焖等。所以材料科学研究和烹饪看上去相距颇远,实则是同宗同源的两大门派。事实上,我的几个科研做得非常牛的朋友,炒菜的水平也是让人啧啧称叹。

 

原材料的选择和配比对菜肴的风味和口感起着决定性的作用,而烹饪方法的选择和调节会进一步影响其口感。同样,化学成分对材料的性能有着巨大的影响,而制备方法的革新会进一步推动材料研究的发展。研发具有优异性能的材料是凝聚态物理以及材料学研究最根本的基础,也是最关键的环节,比如第一个金-硅金属玻璃的发现开创了金属玻璃研究领域,铁基金属玻璃的发现推动了软磁材料的研发,锆-铜基金属玻璃的发现推动了金属玻璃作为结构材料的应用和一些基础研究的发展。同时,制备技术的发展对新材料的研发起了重要的推动作用,比如铜板撞击(splat)快冷技术的发明导致了第一个金-硅金属玻璃体系的发现,甩带方法的引入促进了条带状金属玻璃的发展,利用落管法制备了第一个块体金属玻璃,随后发展的浇铸、吸铸、喷铸等铸造方法极大的促进了块体金属玻璃的发展。

 

对于金属玻璃研究来说,人们发现哪怕是一丁点的成分变化都会导致性能的剧烈变化,比如,成分的少量变化可以明显提高锆基金属玻璃的塑性变形能力【图一,Science315, 1385(2007).】,成分的少量变化也可以明显改善镁基金属玻璃的玻璃形成能力【图二,APL 87, 181915 (2005).】等等。然而利用传统的制备方法寻找最优化的合金成分实在是太费时费力了。以最简单的二元体系为例,比如铜-锆合金,为了寻找具有最优异玻璃形成能力的成分,不同国家的不同研究组做了大量的工作。对于包含3-5个组元的合金成分,研究所有成分比例的性能是一项非常巨大的工作。人们迫切需要一种能够高效率甄选优异成分的方法。

 


Figure1. (A) A family of quarternary ZrCuNiAl BMGs is obtained in the compositionrange (green area). (B) Compressed flakes of S1, S2, and S3. (C) S2 bent intodifferent shapes, showing exceptional deformability. (D) S2 deformed to variousnominal strains. A barrel shape can be seen, which implies that friction betweenthe sample and the platens occurred.


Figure2. Composition region (the blue gemstone-shaped body) for the Dc=8-mm BMGs. The Mg65Cu25Y10 (Inoue alloy, Dc=4 mm) and Mg65Cu15Ag10Y10 (Kimalloy, Dc=6 mm) are outside of our region. See text for an explanationof the arrows. Our strategy tracing the Dmax compositions is representedusing an orange curved line.


  

最近美国耶鲁大学的Liu Yanhui, Ding Shiyan等人在Nature Materials 13,494(2014).上报道通过多靶磁控溅射方法研究了Mg-Cu-Y三元金属玻璃形成体系的热塑性成型能力。热塑性成型是金属玻璃作为结构材料走向实际应用的重要方向,我在之前的博客中介绍过。然而,要想通过传统的材料制备方法在三元体系中pinpoint出热塑性变形能力最优异的成分基本是不可能的。在他们这篇工作中,通过控制原材料靶的溅射强度(图三a),在硅片上制备出具有一定成分分布梯度的合金薄膜(图三b,c),随后在硅片的背面刻蚀出一些空洞(图三d)(文章称在直径10cm的硅片上有3000个孔,孔间距2mm,感兴趣的读者可以验证下能不能实现3000个孔)。每个小孔对应的玻璃成分可以通过EDS和图三bc确定出来。在小孔中填充膨化剂,加热时金属玻璃薄膜进入过冷液相区同时膨化剂膨胀,使得金属膜像吹气球一样吹起来(图四)。通过测量这些金属膜气球的大小,表征对应成分的热塑性成型能力。这种方法可以同时表征上千个成分的热塑性成型能力,真是革命性的突破!!

 2014-NM14-Combinatorial development of BMGs.pdf


最近上海大学的王刚教授主办了第十届BulkMetallic Glasses国际会议,据说会议参加人数达到283人。这应该是金属玻璃研究领域的一个福音,金属玻璃的下一个研究高潮应该马上就要到来了。欢迎更多有志青年学生的加入~



Figure3. Compositional library of approximately 3,000 samples synthesized throughconfocal magnetron co-sputtering and silicon micromachining. a, A d.c.magnetron co-sputtering system equipped with three 5 cm targets arranged in atetrahedral symmetry is used to synthesize the compositional library. A furthersputtering target located directly underneath the substrate and 10 cm indiameter can be used to add an additional element with constant composition. b,Compositional mapping obtained by EDX analysis and its correlation with the x,ycoordinates of the Mg–Cu–Y library deposited on a 10-cm-diameter wafer. c,X-ray di_raction mapping of the peak width reveals that the majority of thefilm is amorphous as deposited (42–82% Mg, 10–46% Cu and 3–32% Y), and only afraction is crystalline. d, Back side and front side (main image andupper-right inset) of the compositional library on a Si wafer after backsideetching. Lower-left inset: Deep reactive ion etching releases the film to createmembranes of 500 _m in diameter and 2 _m in thickness, which are the samples ofthe library.




Figure4. Mg–Cu–Y compositional library after parallel blow forming reveals the differencein TPF. a, Overview of the composition exhibiting best TPF in thecomposition library. b, Final height of the deformed membranes with asuperimposed composition map. c, Close-up of regions of highest TPF inthe library. The scale bars in the images from left to right are 1 mm, 500 umand 200 um, respectively.





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