（本文篇幅較長）
從古埃及法老崇拜的彩色玻璃，到歐洲文藝復興中窺探上帝奧秘的望遠鏡，到現(xiàn)代信息時代承載信息傳輸和交互的光纖，無不與非晶物質(zhì)息息相關(guān)。作為物質(zhì)世界中最平常和最多樣化，人類應用最古老和最廣泛的材料之一，非晶物質(zhì)對人類的生活、科學的發(fā)展、社會的進步，甚至文化、藝術(shù)和宗教都產(chǎn)生過極大的影響，它還在中西方文化和文明的差異與分歧中起到至關(guān)重要的作用。
2021年，諾貝爾物理學獎授予意大利科學家Giorgio Parisi，以表彰他對理解復雜無序系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻，這也說明無序體系的科學問題研究具有重大意義。2022年，是聯(lián)合國大會確定的國際玻璃年，也是聯(lián)合國第一次以單一材料來命名一個年份，突出反映了非晶態(tài)的玻璃在科技、經(jīng)濟、文化和社會等諸多領域中不可或缺的重要地位。正如Anderson指出的“凝聚態(tài)物理領域最深奧的也是懸而未決的問題可能是玻璃的本質(zhì)和玻璃化轉(zhuǎn)變”。對非晶物質(zhì)的深入認識，對非晶材料最新前沿進展進行總結(jié)展望，能夠促使人們更加重視非晶等新材料的創(chuàng)新與發(fā)展，進一步推動人類科技發(fā)展和文明進步。作為一種獨特的材料，非晶物質(zhì)必將在未來發(fā)揮更重要的作用，讓人類生活變得更美好。
非晶物質(zhì)在自然界中無處不在，我們每個人無時無刻都在與非晶材料打交道，然而就如人類常常忽略空氣的重要性一樣，人們?nèi)菀讓﹄[藏在生活中的非晶物質(zhì)視而不見。那什么是非晶物質(zhì)呢？從科學的角度定義，非晶物質(zhì)是指原子或顆粒等基本單元無序堆積形成的凝聚態(tài)物質(zhì)，其組成單元長程排列無序、存在多體強相互作用，從微觀上具有類似液體的微觀結(jié)構(gòu)，但宏觀上表現(xiàn)出固體的行為。例如，常見的材料如塑料、玻璃、松香、石蠟、瀝青、琥珀、橡膠等都是非晶態(tài)固體；生物體等軟物質(zhì)、液體、膠體、顆粒物質(zhì)也是廣義的非晶態(tài)物質(zhì)；行星星體包括地球?qū)嶋H上也可以看作是大的結(jié)構(gòu)單元組成的非晶體。另外，非晶物質(zhì)也廣泛存在于宇宙物質(zhì)中，中國嫦娥五號采回的月壤中發(fā)現(xiàn)玻璃質(zhì)成分可高達30%以上，圖1是嫦娥五號采回的月壤中發(fā)現(xiàn)的微米級玻璃球與玻璃纖維，這種地質(zhì)級時間的玻璃中記錄了月球上重要的撞擊過程和撞擊歷史的信息，是未來月球探測任務的理想采樣目標。
圖1 嫦娥五號采回的月壤中發(fā)現(xiàn)的微米級玻璃球與玻璃纖維
非晶物質(zhì)具有多樣性，典型的非晶物質(zhì)包括玻璃、非晶固體（如非晶半導體、非晶合金等）、非晶高分子（塑料、橡膠、琥珀等）、膠體和顆粒體物質(zhì)等。軟物質(zhì)、過冷液體也包括在非晶的范疇內(nèi)。不同尺度基本單元都能組成傳統(tǒng)意義上的非晶態(tài)系統(tǒng)：從微米級小球單元組成的膠體非晶，到細胞單元組成的非晶態(tài)，再到由一群螞蟻單元組成的蟻群都表現(xiàn)出非晶態(tài)特征，幾乎所有不同價鍵的物質(zhì)都能形成非晶態(tài)。傳統(tǒng)非晶塑料和玻璃材料是與鋼材、水泥、木材并列的基礎材料；鐵基非晶合金具有良好的軟磁性能，能夠替代傳統(tǒng)的硅鋼以制作變壓器鐵芯。玻璃復合纖維制成的光纖是現(xiàn)代通信的關(guān)鍵材料等�？傊瑥姆蔷镔|(zhì)的范疇看，其林林總總地充斥整個世界，非晶物質(zhì)應該被歸類為獨立于液態(tài)、晶體固態(tài)、氣態(tài)的常規(guī)物質(zhì)的第四態(tài)。圖2列出一些典型的非晶固體，包括自然界中天然存在的黑曜石、琥珀、橡膠，也包括常見的人工合成塑料、氧化物玻璃、非晶態(tài)合金等。人類的許多食物、藥物其實也是非晶物質(zhì)，生物體（如動物、植物）也大多是由非晶態(tài)軟物質(zhì)所組成。
對量子力學做出卓越貢獻的著名科學家薛定諤在他的名著《生命是什么》開篇中就說道：“非晶物質(zhì)是生命的物質(zhì)載體，細胞中最重要的物質(zhì)染色體就是非晶態(tài)�！�宇宙中大部分水也是以非晶態(tài)的形式存在的。非晶合金作為非晶物質(zhì)家族中的年輕成員，直至1959年才由美國加州理工大學Duwez等科學家在實驗中偶然得到，目前已成為今天航天、航空、軍事等高技術(shù)和手機、手提電腦等爭相選用的時尚材料。
圖2 多樣化的非晶物質(zhì)：上圖依次是火山玻璃、琥珀、天然橡膠等自然中存在的非晶物質(zhì)；下圖依次是塑料、普通玻璃、非晶合金等人造的非晶物質(zhì)
作為凝聚態(tài)物質(zhì)的重要基石和組成部分，非晶物質(zhì)中蘊含的科學如非晶形成、結(jié)構(gòu)等問題，對其他學科研究和技術(shù)領域進步有著非常重要的意義。如玻璃轉(zhuǎn)變問題的解決對包括材料科學、生物學、制藥、食品工業(yè)等都有極大的幫助。非晶失穩(wěn)問題對于地震、泥石流等地質(zhì)災害，水利大壩的工程安全等有重要的指導作用。
非晶物質(zhì)千變?nèi)f化，種類繁多，表現(xiàn)出豐富多彩的物理和化學性能，然而，最新的研究表明它們在微觀上存在著共同的結(jié)構(gòu)特征。
1）長程無序。
與晶體有序的原子排列方式不同，非晶物質(zhì)的原子或分子在長程上呈現(xiàn)雜亂的排列，利用高分辨透射電子顯微鏡可看出，非晶合金無序原子結(jié)構(gòu)和普通晶態(tài)金屬中整齊排列的原子晶格之間的顯著差異（圖3（a）與（b）），并且這種長程無序在衍射花樣上呈現(xiàn)寬化的暈和彌散的環(huán)，與晶體的銳利衍射峰形成對比；圖3（c）為不同非晶物質(zhì)的無序微觀原子或分子結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出非晶物質(zhì)在長程上不存在周期平移序，即呈現(xiàn)長程無序。
圖3 晶態(tài)金屬（a）和非晶合金（b）的高分辨透射電子顯微鏡照片對比；不同非晶物質(zhì)的無序微觀原子/分子排列結(jié)構(gòu)示意（c）
2）短程有序。
盡管長程無序是其本質(zhì)特征，但非晶物質(zhì)中存在短程的有序結(jié)構(gòu)，這種短程有序性與晶體相似，尺度在1nm左右，可被視為非晶物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元。越來越多的實驗和模擬證據(jù)表明，在長程無序的非晶物質(zhì)中存在各種各樣的短程序，如二十面體團簇。已有研究證明利用145種不同的多面體（短程序）通過自組裝堆砌，可以得到許多復雜的物質(zhì)體系包括晶體、非晶、液體、液晶等，表明短程序是構(gòu)成非晶物質(zhì)的重要結(jié)構(gòu)單元。例如，對于非晶合金而言，美國空軍實驗室Miracle教授利用塑料小球密排研究發(fā)現(xiàn)非晶金屬并非原子的無規(guī)密堆，而是由很多原子團簇密堆而成。然而，通常的衍射手段難以獲取短程有序的信息和圖像。目前，短程序主要采用同步輻射、球差電子顯微技術(shù)、核磁共振等實驗技術(shù)得到。圖4（a）是利用消球差電子顯微技術(shù)實現(xiàn)埃尺度相干電子衍射直接探測到非晶合金原子近鄰及次近鄰結(jié)構(gòu)的非晶短程序結(jié)構(gòu)，可以解析出非晶合金中存在的團簇結(jié)構(gòu)；最近發(fā)展的三維重構(gòu)技術(shù)（atomic electron tomography，AET），可以進一步通過球差矯正電子顯微鏡采集樣品不同傾轉(zhuǎn)角度下原子分辨的結(jié)構(gòu)信息，通過基于傅里葉變換的循環(huán)重構(gòu)算法得到原子分辨的三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)非晶材料三維原子結(jié)構(gòu)的排列信息（圖4（b））。
圖4 通過消球差電子顯微技術(shù)（a）與AET確定非晶合金的局域原子團簇結(jié)構(gòu)（b）
3）拓撲序。
拓撲學研究幾何圖形或空間在連續(xù)變形下保持不變的性質(zhì)，只考慮物質(zhì)間的位置關(guān)系而不考慮其距離和大小。拓撲學以深刻而基本的方式展現(xiàn)物質(zhì)形體之間的關(guān)聯(lián)，幫助人們了解物質(zhì)的空間幾何結(jié)構(gòu)的存在形式，并對現(xiàn)代半導體電子器件的設計和制造、萬維網(wǎng)的設計、交通運輸規(guī)劃、動畫設計甚至對大腦神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)有革命性的作用。近代物理中，尋找拓撲不變量、拓撲相變概念已然為凝聚態(tài)物理的熱點和革命。非晶物質(zhì)具有和晶體類似的短程序，其短程序僅在原子間距和鍵角上有些畸變，但在拓撲上兩者是相同的。液體在凝固過程中，無論形成晶態(tài)還是非晶態(tài)，可能保持其短程拓撲序。目前，描述非晶物質(zhì)的序參量大多是基于局域原子結(jié)構(gòu)或者最近鄰原子的幾何特征給出的，缺乏具有高度概括性的拓撲不變性。將拓撲思想和方法引入無序結(jié)構(gòu)研究中，通過尋找合適的具有特殊拓撲屬性的參量來分類表征相應的原子集合，可望簡化對非晶結(jié)構(gòu)及其動力學的描述，建立更加簡潔和有效的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系。
現(xiàn)有研究表明，非晶合金在構(gòu)型空間和動力學空間都存在非平庸的拓撲結(jié)構(gòu)，這些拓撲結(jié)構(gòu)可能與非晶合金中的本征缺陷密切相關(guān)，在具有類共價鍵結(jié)構(gòu)的CeAl非晶合金中已觀察到長程拓撲序，最新的研究表明，非晶合金動力學空間也存在類似的拓撲漩渦結(jié)構(gòu)，這些拓撲結(jié)構(gòu)可能對應于非晶合金的本征缺陷，并對其形變中的塑性時間有著密切的關(guān)聯(lián)（圖5），因此，對理解非晶合金的形變機制至關(guān)重要。這些工作表明，看似雜亂無章的非晶物質(zhì)結(jié)構(gòu)背后可能隱藏著拓撲序，這給解決非晶物質(zhì)復雜結(jié)構(gòu)難題帶來新思路。
圖5 非晶合金中的拓撲序“缺陷”及其與塑性事件的關(guān)聯(lián)性：正常模式下的特征向量（a）；4個+1缺陷（渦流，紅色）和2個-1缺陷（反渦流，藍色）（b）；應變γ= 0.025時，拓撲缺陷（彩色地圖）和塑性事件（符號）的電荷密度場分（c）
4）結(jié)構(gòu)非均勻性。
在宏觀上，非晶物質(zhì)呈現(xiàn)出均勻性和各向同性。然而在微觀上，人們利用透射電鏡、原子力顯微鏡、同步輻射X射線納米CT和超聲顯微鏡等眾多實驗證據(jù)證明（圖6），在納米到1μm的尺度上，非晶物質(zhì)在結(jié)構(gòu)和動力學上是不均勻的，并且這種不均勻性被認為是非晶物質(zhì)的本質(zhì)特征。通過調(diào)控不均勻性，可實現(xiàn)非晶性能的精準調(diào)控和優(yōu)化設計，如可提升非晶合金的塑性形變能力，增強其弛豫動力學行為等。
圖6 利用透射電鏡（a）、原子力顯微鏡（b）、同步輻射X射線納米CT（c）和超聲顯微鏡（d）表征的非晶合金微觀非均勻性結(jié)構(gòu)
2.2.1遺傳性
遺傳性又稱繼承性，指一個體系所具有的包括靜態(tài)屬性及動態(tài)操作的性質(zhì)自然地成為其子類的性質(zhì)，及類與子類之間屬性的傳遞。眾多研究表明，非晶物質(zhì)具有結(jié)構(gòu)和性能的遺傳性特征。非晶物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其形成液體及主要組元之間的相似性，被稱為結(jié)構(gòu)遺傳性。研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)的局域團簇結(jié)構(gòu)和非晶的團簇結(jié)構(gòu)高度類似，都以短程有序為特征，且液態(tài)和非晶態(tài)的短程有序與長程無序特征很相似。圖7（上）為非晶合金結(jié)構(gòu)“基因”遺傳圖譜，研究發(fā)現(xiàn)非晶與金屬晶體之間存在著明顯的結(jié)構(gòu)同源性，非晶合金隱含拓撲序繼承了面心立方或體心立方晶格結(jié)構(gòu)的組元的球周期序列，表明在快速冷卻過程中，一些晶體結(jié)構(gòu)中所特有的原子排布規(guī)律以某種特殊的方式被“遺傳”到非晶物質(zhì)中。非晶結(jié)構(gòu)遺傳的觀點為衡量合金非晶形成能力強弱，為探索非晶形成能力強的體系提供了新的理論思路，也為認識非晶物質(zhì)的晶化、本質(zhì)提供了一個微觀結(jié)構(gòu)演化的物理圖像。
非晶合金的電子結(jié)構(gòu)也具有遺傳性。純稀土金屬與稀土基非晶合金在高壓下的變化具有很多相似之處，例如鑭系（如Ce基等）非晶合金在高壓下發(fā)生非晶到非晶的多形態(tài)轉(zhuǎn)變，這與Ce的4f電子在壓力作用下由局域化的4f1電子態(tài)向巡游態(tài)的4f0電子態(tài)轉(zhuǎn)變，同時伴隨著體積的塌縮有關(guān)。這種結(jié)構(gòu)遺傳性為設計具有特殊功能和性質(zhì)的新型材料提供了新途徑。
非晶物質(zhì)的性能也具有遺傳性。非晶形成液體或者其主組元的某些物理性質(zhì)可以傳遞給非晶態(tài)。如非晶體系液體脆度系數(shù)m（表征黏滯系數(shù)η隨溫度T的變化的參數(shù)）和非晶物質(zhì)的泊松比之間有關(guān)聯(lián)，強液體形成的非晶泊松比小，脆弱的液體形成的非晶泊松比大。圖7（下）非晶合金彈性模量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，大多數(shù)非晶合金體系的模量M和其主組元的模量類似，盡管其主組元在非晶合金中的含量一般都小于70%，即非晶的彈性模量具有遺傳性。由于非晶物質(zhì)的模量和其本身的很多性質(zhì)關(guān)聯(lián)，所以模量遺傳性表明非晶合金其他物性可能也有遺傳性。非晶態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能遺傳性為認識和研究非晶的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)非均勻性、形成能力和玻璃轉(zhuǎn)變，以及結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系提供了不同的思路，為探索新型非晶材料、調(diào)控非晶材料的性能提供了新方法。
圖7 非晶合金結(jié)構(gòu)“基因”遺傳圖譜（上）。非晶合金遺傳繼承了fcc和bcc晶格結(jié)構(gòu)的球周期序，且這種結(jié)構(gòu)遺傳與非晶形成能力之間存在密切關(guān)系；非晶合金的切變模量與楊氏模量均與其主元線性相關(guān)，表明其模量遺傳自主元（下）
2.2.2敏感性
非晶物質(zhì)的另一個重要特征是對外界影響的敏感性，即非晶物質(zhì)對外界的作用（如溫度、力、磁場、雜質(zhì)、時間等）特別敏感。例如，生活中一滴鹵水就能夠使一鍋豆腐漿凝結(jié)成豆腐；只要有一個S原子加入天然橡膠的200個C原子中，就可以使天然橡膠液汁轉(zhuǎn)變成彈性非晶固體。這兩個例子都顯示出非晶物質(zhì)的一大特性：一點小的外加的物理或化學反應可以引起非晶物質(zhì)力學性質(zhì)或結(jié)構(gòu)等的極大變化。這種響應的敏感性在日常生活、工業(yè)領域有重要的應用。
非晶合金同樣具有優(yōu)良的應變敏感性，其高達>2%的彈性極限是一般合金材料的幾十倍，非晶合金同時又將金屬優(yōu)良的導電性較好地保留下來。因此，非晶合金纖維和薄膜是優(yōu)良的應變敏感材料。圖8（a）是非晶合金纖維制備的電阻式應變傳感器，其量程可達商業(yè)化箔式應變片的4~8.5倍，而尺寸僅為最小商業(yè)化箔式應變片的1/16，同時其電阻相對變化率與應變關(guān)系曲線的線性度極高，應變敏感系數(shù)很高，強熱穩(wěn)定性，高剛度，方便安裝，是趨近于完美電阻式應變傳感器。利用非晶薄膜材料的敏感特性，可以開發(fā)柔性高性能應變傳感器——非晶皮膚，其柔性好，很容易彎曲超過180°，通過膜厚調(diào)控實現(xiàn)視覺的“透明”性，由于非晶合金皮膚保留了金屬材料高電導率，電阻與應變之間有完美的線性關(guān)系，穩(wěn)定性好、彈性范圍大（室溫下的理論彈性極限為4.2%），且響應快、信號轉(zhuǎn)換方便，因此可用于高靈敏監(jiān)測手指彎曲程度等仿生學應用。
圖8 利用Pd基非晶合金制成的電阻式應變傳感器（a）；利用非晶合金薄膜制成電子皮膚能夠敏感監(jiān)測手指的彎曲程度（b）；利用非晶合金絲制備高靈敏度GMI傳感器（c-d）
巨磁阻抗（giant magneto impedance，GMI）傳感器作為一種新型的磁敏傳感器，具有響應快、靈敏度高和小型化等優(yōu)點。核心部件磁性微米絲的成分設計和結(jié)構(gòu)調(diào)控成為影響GMI傳感器性能的主要原因。為提升其靈敏度，通常需要磁性微米絲具有高效GMI效應（即高阻抗變化率和磁場靈敏度），非晶合金材料表現(xiàn)出高導電率和環(huán)形磁導率特征，因此有望克服傳感器在弱磁場中靈敏度大幅衰減的弊端，實現(xiàn)極高的探測靈敏度。
近期，松山湖材料實驗室利用一種具有超晶格-納米晶核殼結(jié)構(gòu)的非晶微米絲，設計出高靈敏度GMI傳感器。團隊連續(xù)制備出微米級高尺寸均勻性的Cr-doped Co基非晶絲，利用皮秒激光熱處理獲得一種超晶格-納米晶特殊的核殼結(jié)構(gòu)，由于其極高的環(huán)形磁疇密度和強度，大幅提升其弱磁場中的靈敏度（1743mV/Oe），弱磁中本征GMI性能高達78%，為普通非晶微米絲的4倍，利用其制備的GMI傳感器可在低至pT級探測分辨率的地磁通信中實現(xiàn)精準定位，這種高靈敏度GMI傳感器在生物醫(yī)學、定位導航、無損檢測等弱磁場領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。
2.2.3復雜的弛豫行為
非晶物質(zhì)形成需要特定的熱力學、動力學和化學條件，非晶物質(zhì)能量上處于亞穩(wěn)態(tài)，因此弛豫與老化無時無處不在，是非晶的本征特性之一。非晶形成體系隨溫度不同，動力學弛豫時間涵蓋12~14個數(shù)量級的巨大時間尺度差異（時間跨度10-14~106s），弛豫頻率涉及1014~10-5Hz。同時，非晶表現(xiàn)出復雜的弛豫動力學行為，其弛豫時間符合擴展的指數(shù)方程（Kohlrausch-Williams-Watts方程，簡稱KWW方程）：φ(t)=exp[-(t/τ)n]，其中，0<n<1。更為重要的是，時間和非晶物質(zhì)的特性密不可分，非晶的結(jié)構(gòu)和性能從其形成那一刻起就會隨時間不停地發(fā)生演化，因此，非晶物質(zhì)需要在包含時間的四維空間中，丹麥非晶物理學家Dyre領導的研究中心名稱就叫“玻璃和時間”。
非晶的物理性能隨時間發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫是不可逆的，如非晶塑料和橡膠會老化，非晶合金也會晶化；但是令人驚奇的是，有些非晶物質(zhì)如松香、琥珀等，可以在嚴酷的自然環(huán)境中穩(wěn)定存在千萬年。因此，非晶復雜性帶來的穩(wěn)定性對其應用服役十分必要，也很有趣；與此同時，在非晶復雜相互作用系統(tǒng)中，這種隨時間不可逆的物理及化學過程是使系統(tǒng)微擾和耗散得以進行的必要條件，是維持平衡和進一步演化的前提。
玻璃具有和液體類似的微觀結(jié)構(gòu)，通常被稱為凍結(jié)的液體。但最新的研究發(fā)現(xiàn)，在金屬玻璃這類緊密堆積的玻璃固體中存在繼承高溫液體動力學行為的類液原子，這些類液體原子在室溫下仍可以快速地擴散，表現(xiàn)出與高溫液體的動力學相同的Arrhenius關(guān)系（圖9），意味著在液體冷卻過程中一些原子可以延續(xù)高溫液體的Arrhenius關(guān)系至玻璃固體中，導致玻璃固體室溫下的超快滯彈性和低溫下的快動力學耗散峰。
圖9 YCo金屬玻璃復雜的弛豫譜
2.3.1長期穩(wěn)定性
非晶物質(zhì)相對晶體具有較高的能量和熵，是熱力學上的亞穩(wěn)態(tài)。相比晶態(tài)，非晶態(tài)具有較高的勢能，理論上非晶物質(zhì)是不穩(wěn)定的，會通過弛豫、結(jié)晶、長大，最后衰變、晶化成穩(wěn)定的晶態(tài)物質(zhì)。但是，非晶向晶態(tài)弛豫或者晶化過程需要克服能壘，不同的非晶物質(zhì)會呈現(xiàn)出截然不同的穩(wěn)定性。例如，第一個被發(fā)現(xiàn)的Au-Si非晶合金在室溫下3h就開始發(fā)生晶化，24h后樣品完全晶化。令人驚訝的是，有些非晶物質(zhì)能表現(xiàn)出超穩(wěn)定性，顛覆了我們對亞穩(wěn)非晶材料的固有觀念。比如在實驗室制備的Ce基金屬玻璃，在接近其玻璃化溫度經(jīng)歷18年的長期老化中，依舊保持著完美的非晶態(tài)，熱力學穩(wěn)定性優(yōu)于大多數(shù)通過氣相沉積制備的超穩(wěn)玻璃薄膜，甚至能夠與上億年老化后的琥珀相媲美，展現(xiàn)了非晶物質(zhì)具有令人震驚的高穩(wěn)定性；對中國嫦娥五號采回的月壤中玻璃進行研究發(fā)現(xiàn)，這些月球表面上的玻璃小球至少已經(jīng)存在15億年（圖10）。這些證明非晶物質(zhì)可以是最穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)。
圖10 鈰基金屬玻璃的超穩(wěn)定性（a）；嫦娥五號月壤玻璃的超凡穩(wěn)定性（b）
穩(wěn)定的非晶物質(zhì)具有重要的科學意義和應用價值。例如，穩(wěn)定的非晶材料可用于核廢料的封裝材料，因為核廢料的輻射需要上萬年的時間才能衰減掉。穩(wěn)定的高分子非晶材料可以大大延緩其老化過程，增加材料使用壽命。在玻璃上微加工、刻蝕納米結(jié)構(gòu)去編碼信息，可研制出壽命超長的玻璃光盤，其容量高達360TB。由于非晶玻璃具有超高的物理、化學穩(wěn)定性，因此這種五維光碟能確保數(shù)據(jù)在非常長的時間里不會丟失，理論上在溫度高達190℃的環(huán)境中可維持長達億年。目前，商業(yè)化微軟玻璃硬盤已經(jīng)問世，其單片75G像素級存儲有千年質(zhì)保期。
2.3.2超塑性
很多非晶物質(zhì)具有明顯的玻璃轉(zhuǎn)變和玻璃轉(zhuǎn)變溫度點Tg，當溫度高于Tg時，非晶物質(zhì)就變成過冷液體，在過冷液態(tài)，非晶體系具有類似液體的異常低的流變抗力、異常高的流變性，即超塑性。這種超塑性賦予非晶材料無與倫比的成型能力。生活中有很多常見的例子，如玻璃的吹塑成型技術(shù)就是典型超塑性特性的應用。非晶玻璃材料史上一項里程碑式的進展是古羅馬時代發(fā)明的玻璃超塑性成型技術(shù)，即玻璃吹塑成型的技術(shù)。通過這項技術(shù)，玻璃被制造成形狀精美、高雅、復雜的酒杯等器皿和工藝品，也使得玻璃的加工成為一門藝術(shù)。
塊體非晶合金和其他非晶玻璃一樣具有較穩(wěn)定的過冷液相區(qū)和較低的Tg，其過冷液態(tài)可以在幾十攝氏度甚至100多攝氏度的溫區(qū)較長時間存在。具有穩(wěn)定的過冷液態(tài)也是非晶合金相比一般金屬材料的另一項特殊的性質(zhì)。因此，非晶合金具有出色的超塑性變形能力，鑄造成型性很強，可以在遠低于熔點的溫度實現(xiàn)超塑性成型。其中，Ce基金屬塑料甚至具有和有機塑料類似的低溫超塑性，如在開水中即可進行超塑性成形、彎曲、拉伸、壓縮和復印等精密加工，且加工制造成本低廉。利用非晶合金這一金屬材料獨特的超聲振動誘導塑性，使焊接表面“低溫超塑性”而發(fā)生冶金結(jié)合，成功實現(xiàn)非晶材料在水、海水、酒精以及液氮環(huán)境下的多種形式焊接。還可以利用“低溫軟化”的特性鏈接其他材料，比如將非晶合金嵌入到其他構(gòu)件，將非晶合金作為鉚釘進行鉚接等。超聲振動下非晶材料在液體環(huán)境中的復雜制造成型，可為極端條件（深空深海）下的制造提供新的思路。在消費電子領域，利用非晶合金的超塑性進行壓鑄精密成型，已實現(xiàn)華為折疊屏手機的鉸鏈、智能手表的表殼等產(chǎn)品批量化制造（圖11），因此非晶合金在精密制造中展現(xiàn)出重要應用和研究價值。
圖11 在開水中即可超塑變形的Ce基“金屬塑料”（a）；非晶合金的水下超聲焊接及鉚釘成型（b-c）；利用非晶合金的超塑性壓鑄制造的華為折疊屏手機鉸鏈和非凡大師腕表表殼（d-f）（圖片來源：https://www.huawei.com/cn/）
2.3.3軟磁特性
現(xiàn)代電子電力設備逐漸向小型化、高效化和節(jié)能化發(fā)展，這對軟磁合金材料的軟磁性能提出了更高的要求。非晶合金由于其獨特的無序結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出極其優(yōu)異的軟磁性能，如高磁導率、低矯頑力、低損耗等特點，廣泛應用于各類電力電子的磁性器件中，具有顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢。
2022年，松山湖材料實驗室通過全新成分設計思路，成功開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)介于傳統(tǒng)非晶合金和納米晶合金之間的新型軟磁合金材料，表現(xiàn)出超高的磁感應強度Bs（高達1.94T）和低至4.3A/m的Hc，打破鐵基非晶納米晶合金體系中Bs和低矯頑力Hc之間的互斥關(guān)系，可以應用在如高速電機、大功率光伏并網(wǎng)逆變器等現(xiàn)代電子產(chǎn)品中（圖12（a-d））。此外，對非晶合金進行合適的熱處理，可在非晶基體上析出細小、均勻的納米晶體，從而得到納米晶軟磁合金，該類材料同樣具有意想不到的優(yōu)異軟磁性能。圖12（e）是近期松山湖材料實驗室和中國科學院物理所研究在非晶合金前驅(qū)體基礎上開發(fā)出具有最高頻高磁導率的新型軟磁非晶納米晶合金材料，在100kHz下的有效磁導率高達36000（比目前磁導率最高的FeSiBCuNb納米晶合金高44%），并且隨著頻率的提高，優(yōu)勢變得更加顯著，同時表現(xiàn)出較高飽和磁感應強度（1.42T）、低損耗（120kW/m3@0.2T，100kHz）。該材料還具有較低的材料成本和良好的玻璃形成能力。對于實現(xiàn)高頻電子器件以及高速電機的高效率、小體積和大功率的優(yōu)勢起著至關(guān)重要的作用。Fe基等非晶合金/納米晶材料擁有優(yōu)異的軟磁性能，被譽為新型雙綠色能源材料，在電機、變壓器、電感等電工裝備領域具有廣闊的市場和應用前景。
圖12 兼具高Bs和低Hc的過渡態(tài)軟磁非晶納米晶（a-d）；典型軟磁材料和新型Fe75.5Co0.5Mo0.5Cu1Nb1.5Si13B8納米晶合金軟磁性能統(tǒng)計圖（e）
2.3.4力學高強與超耐磨
非晶合金由于沒有晶體中的位錯、晶界等缺陷，因而非晶合金的強度、硬度、斷裂韌性、耐磨、彈性等特性在金屬材料中處在高端水平，創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)材料的多項性能紀錄。2019年，中國科學院物理研究所采用材料基因工程理念開發(fā)了獨特的高通量實驗方法，研發(fā)的Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金在高溫力學性能、加工成型性能、耐蝕性等方面表現(xiàn)出前所未有的綜合優(yōu)勢。Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度超過800℃，比目前工程應用最為廣泛的鋯基非晶合金高出400℃。在常溫下，Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金的強度約為5.1GPa，是普通鋼材的10倍以上，即使在超過700℃的高溫條件下，Ir-NiTa-(B)非晶合金仍能保持3.7GPa的強度，遠遠超過傳統(tǒng)的高溫合金和高熵合金的強度。
隨后，團隊繼續(xù)開發(fā)了利用納米壓痕技術(shù)施加大變形量誘導剪切帶和裂紋形成的高通量表征方法，結(jié)合壓痕形貌表征，在Ir-Ni-Ta組合樣品中的富Ta區(qū)域發(fā)現(xiàn)了具有極低摩擦系數(shù)和磨損率的非晶合金。在室溫大氣環(huán)境中，采用金剛石球頭進行摩擦測試，該富Ta非晶合金的摩擦系數(shù)僅為0.05，采用G-Cr合金球頭測試，摩擦系數(shù)也只有0.15。最為值得關(guān)注的是，該富Ta非晶合金的磨損率只有~10-7mm3/Nm。這樣的摩擦磨損性能已經(jīng)接近相似測試條件下類金剛石材料的摩擦磨損性能（圖13（a））。最近，科學家們系統(tǒng)研究了壁厚僅20nm的Zr基和Ni基非晶合金納米管在氧過飽和固溶（>20at%）時的彈性行為，發(fā)現(xiàn)非晶合金納米管的變形回復能力隨變形量的增加而增大，壓縮應變達到23.1%時非晶合金納米管能夠產(chǎn)生高達14.1%的彈性變形回復（圖13（b））。非晶合金納米管的超彈性遠遠超過文獻報道的形狀記憶合金、橡膠金屬、結(jié)構(gòu)復合材料、塊體非晶合金和高熵合金等塊體超彈性金屬（變形回復1%~7%），也遠遠超過形狀記憶合金納米柱、非晶合金納米線、非晶合金納米片等微納米超彈性金屬（變形回復4%~8%）。
圖13 基于納米壓痕高通量技術(shù)篩選出具有類金剛石摩擦磨損性能的非晶合金（a）；具有超彈性的非晶合金納米管與其他超彈性金屬材料性能對比（b）
2.4非晶物質(zhì)帶來的顛覆性（熵調(diào)控）非晶材料由于其復雜性、結(jié)構(gòu)無序、動力學非均勻性的結(jié)構(gòu)和動力學特征，具有復雜的能壘圖或者更多的熵態(tài)。因此，調(diào)控系統(tǒng)的熵也是設計和探索非晶材料的有效思路。通過熵調(diào)控可以調(diào)控非晶的形成能力、穩(wěn)定性等特征，也能夠調(diào)控其力學、物理等性能。熵調(diào)控（即序調(diào)控）是繼結(jié)構(gòu)調(diào)控和成分調(diào)控之后發(fā)展出的探索新型材料的全新方向。高熵合金、高熵非晶、非晶形成能力的提高，塊體非晶合金的獲得，實際上都是通過熵設計實現(xiàn)的（圖14）。通�？梢酝ㄟ^兩種方式進行熵調(diào)控。一是通過對非晶材料形成、凝固條件、組元和成分的選擇和控制來改變熵態(tài)，從而調(diào)控非晶材料的性能；二是通過對非晶物質(zhì)進行微量摻雜、退火、高壓、超聲、輻照、熱冷循環(huán)等來改變非晶物質(zhì)的熵，調(diào)控其物性。
圖14 序/熵調(diào)控是探索無序材料的新途徑
例如，中國科學家將高熵調(diào)控設計理念應用到玻璃領域，采用激光加熱熔化-無容器凝固方法，成功制備了具有超高硬度和楊氏模量的氧化物高熵玻璃，該高熵玻璃具有破紀錄的硬度（12.58GPa）和模量（177.9GPa），以及優(yōu)異的斷裂韌性（1.52MPa·m0.5）和良好的可見光-近中紅外波段透過性（最大86.8%）。在硬度、模量和斷裂韌性上遠超目前康寧公司的主流產(chǎn)品——大猩猩六代手機屏幕玻璃。熵調(diào)控其實是改變物質(zhì)的復雜性，物質(zhì)復雜到一定程度就產(chǎn)生突變，達到新的層次。生命就是生物物質(zhì)不斷復雜，達到新等次的產(chǎn)物。安德森當年振臂一呼“More is different”迎來了凝聚態(tài)物理的大發(fā)展。在非晶物質(zhì)，Complex is different！通過物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、化學、構(gòu)型的復雜性，增加熵成為設計和探索非晶材料的一個思路。
非晶材料曾在人類歷史進程、科學發(fā)展中起到舉足輕重的作用，很多應用改變了科學史、人類文明史，如透明玻璃應用于望遠鏡、顯微鏡、陰極射線管、溫度計、光譜儀的分光鏡等科學儀器對早期科學發(fā)展的巨大貢獻；窗戶玻璃、塑料、玻璃器皿、橡膠等非晶材料給人類生活帶來的巨大便利和進步等。表1列舉了非晶物質(zhì)科學研究和玻璃材料發(fā)展史大事記。非晶物質(zhì)和材料科學就是一門在服務人類生活的過程中產(chǎn)生并不斷發(fā)展的學科，這也是非晶材料具有強大生命力的原因。
非晶合金作為非晶物質(zhì)和材料家族的新成員，具有非晶物質(zhì)本征的動力學、熱力學特征，兼具高強、高韌性、高硬度、耐腐蝕、抗輻照、獨特的表面特性，催化、凈成型等特性。過去十幾年，條帶非晶合金材料已經(jīng)有大規(guī)模的應用，在國內(nèi)形成很大的產(chǎn)業(yè)鏈（有近百家非晶合金生產(chǎn)企業(yè)）和廣大的市場。中國已是繼日本之后，世界上第二個擁有非晶合金變壓器原材料量產(chǎn)的國家，形成了1000億元以上的非晶鐵芯高端制造產(chǎn)業(yè)集群，為國家電力系統(tǒng)的節(jié)能減排作出了積極貢獻。然而，塊體非晶合金的大規(guī)模工業(yè)應用一直沒有突破，這給中國的非晶合金應用研究帶來了難得的機遇。因為中國已聚集各種創(chuàng)新轉(zhuǎn)化的充足資源，包括人才、設備平臺、資本、產(chǎn)業(yè)集群、政府新機制、新政策導向等，已形成一種健康的、有利于科技成果產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)越環(huán)境。未來，塊體非晶合金的規(guī)模應用有望在中國取得突破。
實際上，非晶合金最成熟和廣泛的應用是在非晶磁性方面。目前，第三代半導體材料促使電子技術(shù)高頻化、高效化、小型化，其產(chǎn)業(yè)應用環(huán)境要求器件軟磁材料高磁感、高頻化、低損耗，高頻應用環(huán)境下對電力電子器件的要求是形狀復雜、高頻穩(wěn)定和小型輕量。目前主流的軟磁材料包括純鐵、硅鋼、坡莫合金、鐵硅鋁合金和鐵氧體材料等綜合高頻性能難以兼具，直接影響第三代半導體材料功效的最大發(fā)揮。多類鐵磁性非晶合金具有高飽和磁感應強度、高磁導率、低矯頑力以及低飽和磁致伸縮，使得它們的軟磁性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)硅鋼片材料及傳統(tǒng)的晶體結(jié)構(gòu)的磁性材料。Fe基、Ni基和Co基非晶合金條帶和絲材因為其優(yōu)異的高頻軟磁特性已經(jīng)得到廣泛應用。
非晶合金條帶也已成為各種變壓器、電感器、傳感器、磁屏蔽材料、無線電頻率識別器等的理想鐵芯材料，是電力、電力電子和電子信息領域不可缺少的重要基礎材料，其制造技術(shù)也已相當成熟，Co基非晶絲材在傳感器、磁探測等領域有廣泛的應用。非晶軟磁在軟磁材料的歷史發(fā)展歷程（圖15），直接體現(xiàn)了非晶合金軟磁，以及從非晶合金發(fā)展出來的納米軟磁和復合材料在軟磁材料中的重要地位。
圖15 第三代半導體材料促使電子技術(shù)高頻化、高效化、小型化，但軟磁材料的發(fā)展瓶頸直接影響第三代半導體材料功效的最大發(fā)揮
非晶合金在高技術(shù)領域或?qū)⒂泻芏嘀匾獞�，如圖16所示。例如，非晶合金在變形中具有自銳特性，可用于制造新型穿甲彈（圖16（a））；非晶合金具有抗交變溫度、抗腐蝕和抗輻照的特性，能夠滿足航天器大型展開機構(gòu)苛刻的性能要求，是利用彈性能展開機構(gòu)的關(guān)鍵材料。NASA曾經(jīng)與加州理工學院的Johnson教授合作，利用非晶合金制作太陽風的采集器（圖16（b）），安裝在起源號宇宙飛船上，成功獲得0.1g太陽物質(zhì)，用于研究太陽，即太陽系的起源。非晶合金也可以作為光學反射部件，避免傳統(tǒng)金屬（金屬基復合材料）的晶體組織缺陷對光學加工精度的影響，其良好的充填流動性、超精密復寫特性、近零凝固收縮特性以及數(shù)倍于工程材料的硬度與強度特性，可采用精密制造凈成型的結(jié)構(gòu)功能一體化反射鏡，目前NASA正在積極探索具有結(jié)構(gòu)功能一體化的高性能非晶合金光學材料，從而更加適應未來型號短制造流程、高性能光學產(chǎn)品的需求（圖16（c））。
此外，非晶合金板具有優(yōu)異的抗撞擊效應，是空天衛(wèi)星、航天器防護的備選材料。圖16（d）是美國發(fā)射到火星上的火星車。非晶合金齒輪為NASA火星登陸計劃作出了貢獻�；鹦擒嚨囊恍C構(gòu)件齒輪使用非晶合金制成的。非晶合金齒輪在沒有任何潤滑劑、-200℃低溫以及交變溫度和風沙環(huán)境下，長時間提供強大的扭矩和平滑轉(zhuǎn)向。
圖16 非晶合金在軍事及航天上的應用。非晶合金穿甲彈（a）；非晶合金太陽風收集器（b）；非晶合金反射鏡（c）；非晶合金柔性齒輪（d）
非晶物質(zhì)的基礎和技術(shù)研究及應用是相輔相成、交替發(fā)展的，非晶材料已成為人類廣泛使用、不可或缺的重要材料。天然非晶材料的使用幫助人類進入文明時代。非晶物質(zhì)（如透明玻璃）在科學起源和發(fā)展、藝術(shù)的進步、生活質(zhì)量和品質(zhì)的提高中厥功至偉；水泥、塑料等非晶材料改變?nèi)藗兩詈途幼〉拿婷�；光纖把我們帶入信息時代；非晶材料的制備和成型技術(shù)使得新型非晶材料不斷涌現(xiàn)，熵或者序調(diào)控成為探索材料的新途徑和理念，導致非晶復合材料、高熵材料的發(fā)現(xiàn)；非晶合金的發(fā)明極大地提升和豐富金屬材料的力學、物理性能，使得古老的金屬材料的面貌煥然一新，非晶合金也成為合金材料的新貴；低維非晶材料具有很多獨特的功能特性，大大拓展了非晶材料的用途，加深對非晶物質(zhì)基本問題的理解；對玻璃轉(zhuǎn)變的認識促使很多高新技術(shù)的發(fā)展，如保鮮技術(shù)、制藥技術(shù)、儲藏技術(shù)、分流技術(shù)等，并深化對很多自然現(xiàn)象的認識。
3 非晶物質(zhì)未來發(fā)展的挑戰(zhàn)與建議3.1引入新的材料研發(fā)范式（材料基因、數(shù)據(jù)驅(qū)動）
21世紀以來，材料基因工程、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，深刻地改變著材料研發(fā)的格局和范式，極大地推動了材料研發(fā)和應用的進步，在非晶物質(zhì)的研究中引入這些新理念和新方法，將對非晶物質(zhì)領域的發(fā)展產(chǎn)生顛覆性影響，可極大提高新材料的研發(fā)效率、降低研發(fā)周期與成本。
材料基因工程引入了“理性設計－高效實驗－大數(shù)據(jù)技術(shù)”融合的新型研發(fā)模式，以顯著提升新材料研發(fā)效率，實現(xiàn)材料研發(fā)范式的變革（圖17）。這包括發(fā)展材料高效計算、高通量實驗、大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了“計算、實驗、數(shù)據(jù)庫”三大基礎創(chuàng)新平臺。這些平臺深度融合、協(xié)同創(chuàng)新，加速了新材料的研發(fā)和工程應用。
圖17 材料基因工程變革研發(fā)模式
機器學習通過融合計算機科學和統(tǒng)計學的理念，讓計算機擁有自主學習的能力，其核心關(guān)聯(lián)著人工智能和數(shù)據(jù)科學。機器學習在許多領域已經(jīng)取得了顯著成果，尤其是在材料設計方面，甚至Norquist教授研究發(fā)現(xiàn)被視為“失敗”的實驗數(shù)據(jù)中也包含了重要信息。
機器學習為解決非晶材料領域的關(guān)鍵問題提供了新的途徑，它可以應用于以下方面：（1）基于結(jié)構(gòu)相似性分析非晶材料的結(jié)構(gòu)特征；（2）分析模擬或?qū)嶒灚@得的結(jié)構(gòu)、動力學、力學性能等數(shù)據(jù)，建立結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)聯(lián)；（3）分析現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)得到模型，并根據(jù)模型預測合金的成分和其非晶形成能力。這些應用已經(jīng)取得了一些成果，例如，中國科學院物理研究所使用支持向量機方法對可能的新材料進行預測（圖18（a-b））�；诓牧匣蚪M計劃發(fā)展起來的高通量制備與表征技術(shù)為非晶合金新成分的高效開發(fā)提供了一種更為理想的途徑。例如，美國耶魯大學Schroers團隊利用高通量制備和表征的思路，設計了巧妙的高通量制備和表征方法，優(yōu)選出Mg基非晶合金最大形成能力成分點，比傳統(tǒng)的方法要節(jié)約時間3000倍。2019年中國科學院物理所研究汪衛(wèi)華院士團隊基于材料基因工程理念設計開發(fā)出一種全新的Ir-Ni-Ta-（B）塊體金屬玻璃，其玻璃轉(zhuǎn)變溫度高達1162K，且1000K時的強度高達3.7GPa，遠遠超出此前報道的塊體金屬玻璃和傳統(tǒng)的高溫合金（圖18（c-e））。這些工作證實了材料基因工程在非晶合金研發(fā)中的有效性和高效率。
圖18 應用案例。利用數(shù)據(jù)庫進行機器學習建立模型，實現(xiàn)高非晶形成能力的預測（a-b）；利用高通量制備表征技術(shù)開發(fā)出具有高玻璃轉(zhuǎn)變溫度和高溫高強度新型塊體非晶合金（c-e）
另外，數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料探索可進一步提升新材料的研發(fā)效率。中國科學院物理研究所柳延輝團隊通過建立特定性能或性能關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，并打通高通量實驗和實驗數(shù)據(jù)自動分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了非晶合金新材料的高通量、流程化研發(fā)。基于這一研發(fā)模式，發(fā)現(xiàn)了非晶形成能力的Δq-GFA新判據(jù)（圖19），大幅提高研發(fā)非晶合金新材料的效率，并成功預測出非晶合金新材料體系。
圖19 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的非晶形成能力新判據(jù)大幅提升新體系的開發(fā)效率：對于單個三元合金系，常規(guī)的試錯法~250個塊體合金；高通量~100個；新判據(jù)~個位數(shù)
材料基因工程的高通量技術(shù)顛覆了非晶合金領域60年來的材料研發(fā)常規(guī)路徑，為解決新材料探索難題提供新途徑，為高性能非晶合金設計提供新思路�；诖髷�(shù)據(jù)和機器學習的人工智能引領新一輪技術(shù)革命，有望解決合金玻璃形成能力等關(guān)鍵問題，幫助高效預測新材料。
3.2重視工藝創(chuàng)新的重要性
回顧傳統(tǒng)非晶玻璃的發(fā)展歷史，助溶劑、吹鑄、浮法平板、離子交換等工藝的創(chuàng)新極大地促進玻璃材料的發(fā)展與應用；回顧非晶合金的發(fā)展歷史，每次研究高峰同樣離不開制備工藝的創(chuàng)新發(fā)展引起的非晶形成能力突破（圖20）。其中，第一代是微米級非晶帶材，Duwez在1960年首次采用熔體快速冷卻技術(shù)制備，開創(chuàng)了非晶合金研究新紀元；第二代是基于固態(tài)反應非晶化形成的非晶粉末與薄膜，980—1990年科學家提出新方法，帶來了第二個高潮期；第三代是毫米級塊體非晶合金，從1990年至今，通過吸鑄工藝創(chuàng)新與合金成分設計共同提高非晶形成能力，形成了第三個高潮期（圖20）。每次技術(shù)突破和非晶形成能力研究進展都將帶來領域革命。
因此，對非晶合金材料而言，未來的突破取決于新工藝創(chuàng)新對非晶形成能力的攻克，從而獲得更大非晶形成尺寸的新材料。
圖20 制備工藝創(chuàng)新對非晶材料的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用
目前，非晶形成能力主要依賴于急冷凝固這種“自上而下”的工藝，實現(xiàn)對抑制形核的控制。先進制造技術(shù)基于“自下而上”的策略，可避開了非晶形成的臨界冷卻速率的限制，同時解決傳統(tǒng)成形加工技術(shù)難以完成的復雜構(gòu)件成形制造難題。目前，已經(jīng)發(fā)展出多種非晶的先進制造技術(shù)（圖21），包括3D打印技術(shù)、聲制造技術(shù)、光制造技術(shù)、基于半固態(tài)成形、基于超塑性的連續(xù)成型以及原子制造等，這些技術(shù)為突破非晶形成尺寸與非晶形成體系的限制提供了新工藝技術(shù)。由此可見，制備和加工工藝的創(chuàng)新一直是非晶材料發(fā)展與應用的關(guān)鍵所在，非晶材料未來的發(fā)展與突破同樣離不開工藝創(chuàng)新。
圖21 基于先進制造技術(shù)有望突破非晶形成尺寸與復雜成形難題
3.3推動非晶物質(zhì)與其他學科領域的交叉融合
隨著科技不斷進步，不同科學研究領域之間的交叉融合逐漸成為主流趨勢，這種交叉可能帶來跨越性的發(fā)展和突破性的成果。非晶物質(zhì)科學領域也不例外，通過多學科的交叉，為解決該領域長期存在的關(guān)鍵科學問題提供了新的研究思路，同時也可能建立和發(fā)展出具有重要科學意義和潛在應用價值的前瞻性研究方向（圖22）。這種跨學科的滲透和深入融合是非晶物質(zhì)科學發(fā)展的趨勢。在結(jié)構(gòu)材料方面，非晶材料如玻璃、混凝土、非晶聚合物、橡膠和非晶合金在力學性能和綜合性能方面取得了顯著成功。相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，非晶材料在極端條件下表現(xiàn)出更高的強度、斷裂韌性和屈服強度，如鋯基非晶合金在穿甲、破甲彈中的應用。非晶合金的發(fā)現(xiàn)還催生了新型結(jié)構(gòu)材料家族，如高熵合金、準晶、金屬間化合物等。
圖22 非晶物質(zhì)研究與其他學科領域的交叉融合
在力學方面，非晶物質(zhì)的力學行為與晶態(tài)固體材料迥然不同，涉及多個方面，包括塑性流動機制、連續(xù)介質(zhì)本構(gòu)模型、形變機制、局域化剪切帶、強度理論和斷裂機理。對非晶物質(zhì)力學行為的研究將有助于豐富和發(fā)展傳統(tǒng)力學理論。
非晶體系類似于活性物質(zhì)體系和生命體系，是典型的遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)。非晶物質(zhì)形成的玻璃轉(zhuǎn)變提出了新問題和挑戰(zhàn)，對熱力學和非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學的發(fā)展產(chǎn)生促進作用。
在信息科學方面，非晶材料包括合金導體、半導體和絕緣體，滿足信息材料對多功能特征的集成要求。非晶材料在信息科學領域的廣泛應用包括新型微納器件的設計原理、工作機制、集成和可靠性，以及自旋電子學器件等。
在能源、環(huán)境、催化和生物醫(yī)用材料領域，非晶合金展現(xiàn)了廣泛的應用潛力。其在儲氫、廢水處理、光敏材料等方面的性能使其成為最具潛力的材料之一，同時在生物醫(yī)用材料領域有著廣泛的研究價值和應用前景。
在空間材料領域，對月壤玻璃的研究可以獲取月球起源和演化的重要歷史信息。月壤玻璃可以像天然照相機一樣記錄下不同年代月球內(nèi)部和表面的演化信息，可作為容器長期保存3He和液態(tài)水等月球資源，作為月球時鐘記錄火山活動和撞擊事件的編年史。利用非晶合金制造的反射鏡、柔性齒輪可為人類建設月球基地、探索火星資源發(fā)揮不可替代的作用。
3.4發(fā)揮先進表征技術(shù)及大科學裝置的優(yōu)勢與作用
新的實驗技術(shù)是解決非晶物質(zhì)基本科學問題和技術(shù)難題的關(guān)鍵，目前非晶材料的研究模式長期依賴于科學直覺和經(jīng)驗積累，要想實現(xiàn)快速發(fā)展的新模式，需要充分利用和結(jié)合現(xiàn)代先進表征技術(shù)與大科學裝置，獲取非晶物質(zhì)在原子、電子結(jié)構(gòu)層面的結(jié)構(gòu)信息，并建立結(jié)構(gòu)和性能內(nèi)在的相關(guān)性。如利用消球差電子顯微技術(shù)成功實現(xiàn)了埃尺度相干電子衍射，可在真實空間檢測非晶材料原子近鄰及次近鄰結(jié)構(gòu)信息；采用AET實現(xiàn)對非晶材料進行多角度成像并結(jié)合計算機重建出三維原子結(jié)構(gòu)。
大科學裝置如散裂中子源、同步輻射光源在研究非晶材料的原子尺度結(jié)構(gòu)方面具有不可替代的作用；同步輻射光源中的X射線光子關(guān)聯(lián)譜可覆蓋更小的空間尺度和更慢的時間尺度，為原子尺度慢動力學研究提供了更強有力的手段；基于同步輻射的自由電子激光具有高亮度、寬波段、高偏振、高相干性等特點，為在高空間分辨率和高時間分辨率下研究非晶物質(zhì)的動力學行為提供可能。阿秒光源裝置具有超高時間分辨率和亞原子尺度的超高空間分辨率，可用于獲取液體到非晶轉(zhuǎn)變過程中原子、電子動力學演化的高時空分辨圖像，為破解玻璃轉(zhuǎn)變的世紀難題提供了可能。這些先進表征技術(shù)和大科學裝置可為非晶材料科學家快速發(fā)現(xiàn)新材料、洞察材料物理、揭示材料新現(xiàn)象提供強大作用和潛能。
3.5打造產(chǎn)學研用全鏈條創(chuàng)新模式
在非晶合金領域，中國已經(jīng)成為國際非晶合金材料及其應用技術(shù)研發(fā)的重要力量，當前中國在非晶材料基礎研究方面已處于國際先進水平，中國相關(guān)專利申請量全球排名第一，然而卻缺少如日立金屬這樣的國際水平龍頭企業(yè)；我們有龐大的非晶合金應用市場，然而目前市場上使用的材料體系多是國外團隊早期開發(fā)的體系，缺乏具有國內(nèi)知識產(chǎn)權(quán)或者牌號的非晶合金體系。主要原因是國內(nèi)強大的實驗室非晶合金研發(fā)能力與企業(yè)、市場之間缺乏有效銜接，使得“產(chǎn)學研用”結(jié)合不緊密、創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈不完整。面對這種現(xiàn)狀，必須將材料基礎研究、工業(yè)化制造、應用技術(shù)融合發(fā)展，集中開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的非晶材料工程化、產(chǎn)業(yè)化核心制備技術(shù)，推動非晶材料面向能源、信息、高端制造等高新產(chǎn)業(yè)的應用技術(shù)發(fā)展，形成以企業(yè)為主體、市場為導向、“產(chǎn)學研用”相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，為中國非晶材料的市場開發(fā)和工程化應用提供有力的技術(shù)支撐。
目前，中國經(jīng)過數(shù)十年的基礎與應用基礎研究積累，已經(jīng)聚集起各類優(yōu)勢資源，包括最強大的青年科學家隊伍，最龐大的產(chǎn)業(yè)化工程師隊伍，最齊備的規(guī)�；苽湓O備與產(chǎn)業(yè)化平臺，最好的政策導向與成果轉(zhuǎn)化機制。因此，進一步推進實驗室研發(fā)和企業(yè)應用相互合作，打造產(chǎn)學研用全鏈條創(chuàng)新模式和協(xié)作關(guān)系，制定健全中國非晶合金的生產(chǎn)制造、使用標準，引導非晶合金產(chǎn)業(yè)科學、合理、規(guī)范發(fā)展，堅持非晶材料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工藝、應用技術(shù)并重的原則，搶占國際非晶材料應用技術(shù)制高點，非晶材料的未來必將屬于中國。
劍橋大學歷史學家Macfarlane在他的著作《The Glass Bathyscaphe》中指出，非晶態(tài)玻璃之所以重要不僅在于它能夠給我們提供遮蔽和儲藏的場所，更重要的是它拓展了我們?nèi)祟悆蓚�重要的器官——眼睛和大腦的功能。一個沒有非晶物質(zhì)的世界將會動搖現(xiàn)代化進程的根基：基于顯微鏡認識細胞、病毒和細菌后，人類的壽命得以延長；獲得基因知識后，明白人何以為人；基于望遠鏡明白天文學知識后，了解到我們在宇宙中所處的位置；基于鏡子讓我們第一次能夠看清自己，開啟了人在社會重新定位的序幕；基于光纖讓我們真正實現(xiàn)了古人夢寐以求的“千里眼”和“順風耳”，距離不再遙遠。對這些概念性突破而言，地球上沒有任何東西比非晶物質(zhì)（玻璃）的影響更大。非晶物質(zhì)不僅給人類的生活帶來無限的便利與遐想，更重要的是，對非晶物質(zhì)科學的研究孕育著無限的可能，已成為科研工作者新理念、新思想的源泉。非晶物質(zhì)，讓未來變得更美好！
文章來源：科技導報、非晶合金
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