金屬玻璃又稱非晶態合金，它既有金屬和玻璃的優點，又克服了它們各自的弊病——如玻璃易碎，沒有延展性。金屬玻璃的強度高于鋼，硬度超過高硬工具鋼，且具有一定的韌性和剛性，人們常常贊揚金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”。因此，人們對于它的研究也從未間斷，其應用更是廣泛，例如人造關節和其他醫療植入裝置等。然而，由于一直無法準確預測出這些材料在斷裂時究竟釋放出多少能量，因此也就大大阻礙了金屬玻璃基產品的開發與應用。
最近，來自紐約州特洛伊市倫斯勒理工學院的一組研究人員開發了一種新的方法，能夠在原子水平上來模擬金屬玻璃在斷裂時的力學行為。這種新的建模技術可以改進計算機輔助材料的設計，從而幫助研究人員確定金屬玻璃的種種特性。他們的研究成果被發表在了《應用物理學》雜志上。
“眾所周知，斷裂能是材料的一個重要特性，然而直到現在，仍沒有一種可行的方法能夠在原子水平上被用來測量金屬玻璃的斷裂能，”該論文的作者Yunfeng Shi說。
斷裂能是一種材料的基本屬性。它代表著在固體中每單位面積新生成斷裂面所釋放出的總能量的大小。“這一性能對于人們了解材料在極端條件下的表現來說是尤為重要的，它可以很好地預測出材料的失效情況，避免重大事故的發生，”該文章的另一作者Binghui Deng說道。
原則上，任何合金都可以通過控制冷卻速度等條件制成金屬玻璃。為了在特定應用中選擇最合適的材料，研究人員需要清楚知道每種合金在壓力下的力學行為。
為了了解不同合金在不同條件下的行為，研究人員利用了一種被稱為分子動力學的計算工具。這種計算機建模方法計算了虛擬系統中每個原子的受力、位置和速度。
此外，模型的計算也在不斷更新，其中就包含有關裂紋在基體中的擴散信息。這種啟發式的計算機學習可以通過考慮材料中裂紋等隨機變化，來模擬出最接近現實的情況。
他們的模型解釋了一種復雜的相互作用，即裂縫形成所消耗的能量與新表面能之間的補償作用。
“計算機輔助材料的設計已在制造業中發揮了重要的作用，其前景也將是光明的，注定要為人們發現、研究新材料提供更多的便利，” Yunfeng Shi說。
圖片中測量了具有不同塑性的玻璃中的斷裂能，并呈現出不同的的斷裂形貌。
圖片提供：Binghui Deng，Yunfeng Shi，美國物理研究所
