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熵調控與無序之美：非晶物質如何引領材料學新革命
2025-09-26 16:52
（來源：科創中國）
中國嫦娥五號採回的月壤中發現了超過30%的玻璃質成分，進一步證實非晶物質在宇宙中廣泛存在，看似雜亂無章的非晶物質結構背后可能隱藏着拓撲序和不均勻性，因而非晶物質具有奇異的遺傳、敏感和弛豫行為，表現出一系列優異物理化學特性，如極致的穩定性、超塑性、超強力學行為和優異軟磁性能等。基於序調控和高通量技術開發出的新一代Zr基、Fe基非晶合金更是成功應用於如摺疊手機鉸鏈、新能源汽車電機等核心部件，非晶材料展現出不可替代的應用優勢。非晶物質的未來發展應引入新的材料研發範式，重視工藝創新的重要性，推動多學科領域的交叉融合，發揮先進表徵技術和大科學裝置的優勢，打造產學研用全鏈條創新模式，進而積極助力非晶材料與物理領域的快速發展，拓展其在高新技術領域的應用。
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祕的望遠鏡，至現代信息時代承載信息傳輸和交互的光纖，無不與非晶物質息息相關。作為物質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，非晶物質對人類的生活、科學的發展、社會的進步，甚至文化、藝術和宗教都產生過極大的影響，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，以表彰他對理解複雜無序系統的開創性貢獻，這也説明無序體系的科學問題研究具有重大意義。2022年，是聯合國大會確定的國際玻璃年，也是聯合國第一次以單一材料來命名一個年份，突出反映了非晶態的玻璃在科技、經濟、文化和社會等諸多領域中不可或缺的重要地位。正如諾貝爾物理學獎Philip W. Anderson指出的「凝聚態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和玻璃化轉變」。對非晶物質的深入認識，對非晶材料最新前沿進展進行總結展望，能夠促使人們更加重視非晶等新材料的創新與發展，進一步推動人類科技發展和文明進步。作為一種獨特的材料，非晶物質必將在未來發揮更重要的作用，讓人類生活變得更美好。
1、無處不在的非晶物質
非晶物質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，人們容易對隱藏在生活中的非晶物質視而不見。那什麼是非晶物質呢？從科學的角度定義，非晶物質是指原子或顆粒等基本單元無序堆積形成的凝聚態物質，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構，但宏觀上表現出固體的行為。例如，常見的材料如塑料、玻璃、松香、石蠟、瀝青、琥珀、橡膠等都是非晶態固體；生物體等軟物質、液體、膠體、顆粒物質也是廣義的非晶態物質；行星星體包括地球實際上也可以看作是大的結構單元組成的非晶體。另外，非晶物質也廣泛存在於宇宙物質中，中國嫦娥五號採回的月壤中發現玻璃質成分可超過30%，圖1是嫦娥五號採回的月壤中發現的微米級玻璃球與玻璃纖維，這種地質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採樣目標。
非晶物質具有多樣性，典型的非晶物質包括玻璃、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）、膠體和顆粒體物質等。軟物質、過冷液體也包括在非晶的範疇內。不同尺度基本單元都能組成傳統意義上的非晶態系統：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，再到由一羣螞蟻單元組成的蟻羣都表現出非晶態特徵，幾乎所有不同價鍵的物質都能形成非晶態。傳統非晶塑料和玻璃材料是與鋼材、水泥、木材並列的基礎材料；鐵基非晶合金具有良好的軟磁性能，能夠替代傳統的硅鋼以製作變壓器鐵芯。玻璃複合纖維製成的光纖是現代通信的關鍵材料等。總之，從非晶物質的範疇看，其林林總總地充斥整個世界，非晶物質應該被歸類為獨立於液態、晶體固態、氣態的常規物質的第四態。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、非晶態合金等。人類的許多食物、藥物其實也是非晶物質，生物體（如動物、植物）也大多是由非晶態軟物質所組成。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《生命是什麼》開篇中就説道：「非晶物質是生命的物質載體，細胞中最重要的物質染色體就是非晶態。」宇宙中大部分水也是以非晶態的形式存在的。非晶合金作為非晶物質家族中的年輕成員，直至1959年才由美國加州理工大學Duwez等在實驗中偶然得到，目前已成為航天、航空、軍事等領域和手機、手提電腦等設備製造爭相選用的時尚材料。
作為凝聚態物質的重要基石和組成部分，非晶物質中藴含的科學如非晶形成、結構等問題，對其他學科研究和技術領域進步有着非常重要的意義。如玻璃轉變問題的解決對包括材料科學、生物學、製藥、食品工業等都有極大的幫助。解決非晶失穩問題對於預防地震、泥石流等地質災害，確保水利大壩的工程安全等有重要的指導作用。
2、非晶物質的最新研究進展
2.1 非晶結構中獨特的「序」
非晶物質千變萬化，種類繁多，表現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着共同的結構特徵。
1）長程無序。與晶體有序的原子排列方式不同，非晶物質的原子或分子在長程上呈現雜亂的排列，利用高分辨透射電子顯微鏡可看出，非晶合金無序原子結構和普通晶態金屬中整齊排列的原子晶格之間的顯著差異（圖3（a）與（b）），並且這種長程無序在衍射花樣上呈現寬化的暈和彌散的環，與晶體的鋭利衍射峰形成對比；圖3（c）為不同非晶物質的無序微觀原子或分子結構示意，可以看出非晶物質在長程上不存在周期平移序，即呈現長程無序。
2）短程有序。儘管長程無序是其本質特徵，但非晶物質中存在短程的有序結構，這種短程有序性與晶體相似，尺度在1 nm左右，可被視為非晶物質的結構單元。越來越多的實驗和模擬證據表明，在長程無序的非晶物質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，可以得到許多複雜的物質體系包括晶體、非晶、液體、液晶等，表明短程序是構成非晶物質的重要結構單元。例如，對於非晶合金而言，美國空軍實驗室Miracle利用塑料小球密排研究發現非晶金屬並非原子的無規密堆，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，短程序主要採用同步輻射、球差電子顯微技術、核磁共振等實驗技術得到。圖4（a）是利用消球差電子顯微技術實現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構的非晶短程序結構，可以解析出非晶合金中存在的團簇結構；最近發展的三維重構技術（AET），可以進一步通過球差矯正電子顯微鏡採集樣品不同傾轉角度下原子分辨的結構信息，通過基於傅里葉變換的循環重構算法得到原子分辨的三維結構，實現了非晶材料三維原子結構的排列信息（圖4（b））。
圖5 非晶合金中的拓撲序「缺陷」及其與塑性事件的關聯性：正常模式下的特徵向量（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）的電荷密度場分佈（c）
3）拓撲序。拓撲學研究幾何圖形或空間在連續變形下保持不變的性質，只考慮物質間的位置關係而不考慮其距離和大小。拓撲學以深刻而基本的方式展現物質形體之間的關聯，幫助人們瞭解物質的空間幾何結構的存在形式，並對現代半導體電子器件的設計和製造、萬維網的設計、交通運輸規劃、動畫設計甚至對大腦神經元的結構有革命性的作用。近代物理中，尋找拓撲不變量、拓撲相變概念已然成為凝聚態物理的熱點和革命。非晶物質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，無論形成晶態還是非晶態，可能保持其短程拓撲序。目前，描述非晶物質的序參量大多是基於局域原子結構或者最近鄰原子的幾何特徵給出的，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構研究中，通過尋找合適的具有特殊拓撲屬性的參量來分類表徵相應的原子集合，可望簡化對非晶結構及其動力學的描述，建立更加簡潔和有效的結構性能關係。現有研究表明，非晶合金在構型空間和動力學空間都存在非平庸的拓撲結構，這些拓撲結構可能與非晶合金中的本徵缺陷密切相關，在具有類共價鍵結構的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構，這些拓撲結構可能對應於非晶合金的本徵缺陷，並與其形變中的塑性事件有着密切的關聯（圖5），因此，對理解非晶合金的形變機制至關重要。這些工作表明，看似雜亂無章的非晶物質結構背后可能隱藏着拓撲序，這對解決非晶物質複雜結構難題帶來新思路。
圖6 利用透視電鏡（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）表徵的非晶合金微觀非均勻性結構
4）結構非均勻性。在宏觀上，非晶物質呈現出均勻性和各向同性。然而在微觀上，人們利用透視電鏡、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證明（圖6），在納米到1 μm的尺度上，非晶物質在結構和動力學上是不均勻的，並且這種不均勻性被認為是非晶物質的本質特徵。通過調控不均勻性，可實現非晶性能的精準調控和優化設計，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。
2.2 非晶物質奇異的特徵行為
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屬性及動態操作的性質自然地成為其子類的性質，及類與子類之間屬性的傳遞。眾多研究表明，非晶物質具有結構和性能的遺傳性特徵。非晶物質的結構與其形成液體及主要組元之間的相似性，被稱為結構遺傳性。研究發現，液態的局域團簇結構和非晶的團簇結構高度類似，都以短程有序為特徵，且液態和非晶態的短程有序與長程無序特徵很相似。圖7（上）為非晶合金結構「基因」遺傳圖譜，研究發現非晶與金屬晶體之間存在着明顯的結構同源性，非晶合金隱含拓撲序繼承了面心立方或體心立方晶格結構的組元的球周期序列，表明在快速冷卻過程中，一些晶體結構中所特有的原子排布規律以某種特殊的方式被「遺傳」到非晶物質中。非晶結構遺傳的觀點為衡量合金非晶形成能力強弱，探索非晶形成能力強的體系提供了新的理論思路，也為認識非晶物質的晶化、本質提供了一個微觀結構演化的物理圖像。
圖7 非晶合金結構「基因」遺傳圖譜（上）。非晶合金遺傳繼承了fcc和bcc晶格結構的球周期序，且這種結構遺傳與非晶形成能力之間存在密切關係；
非晶合金的切變模量與楊氏模量均與其主元線性相關，表明其模量遺傳自主元（下）
非晶合金的電子結構也具有遺傳性。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生非晶到非晶的多形態轉變，這與Ce的4f電子在壓力作用下由局域化的4f1電子態向巡遊態的4f0電子態轉變，同時伴隨着體積的塌縮。這種結構遺傳性為設計具有特殊功能和性質的新型材料提供了新途徑。非晶物質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可以傳遞給非晶態。如非晶體系液體脆度係數m（表徵黏滯係數η隨温度T變化的參數）和非晶物質的泊松比之間有關聯，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據統計表明，大多數非晶合金體系的模量M和其主組元的模量類似，儘管其主組元在非晶合金中的含量一般都小於70%，即非晶的彈性模量具有遺傳性。由於非晶物質的模量和其本身的很多性質相關聯，所以模量遺傳性表明非晶合金其他物性可能也有遺傳性。
非晶態物質結構和性能遺傳性為認識和研究非晶的結構、結構非均勻性、形成能力和玻璃轉變，以及結構和性能的關係提供了不同的思路，為探索新型非晶材料、調控非晶材料的性能提供了新方法。
2.2.2 敏感性
非晶物質的另一個重要特徵是對外界影響的敏感性，即非晶物質對外界的作用（如温度、力、磁場、雜質、時間等）特別敏感。例如，生活中一滴滷水就能夠使一鍋豆腐漿凝結成豆腐；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變成彈性非晶固體。這2個例子都顯示出非晶物質的一大特性：一點小的外加的物理或化學反應可以引起非晶物質力學性質或結構等的極大變化。這種響應的敏感性在日常生活、工業領域有重要的應用。
利用非晶合金絲製備高靈敏度 GMI 傳感器（c，d）
非晶合金同樣具有優良的應變敏感性，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良的應變敏感材料。圖8（a）是非晶合金纖維製備的電阻式應變傳感器，其量程可達商業化箔式應變片的4.0~8.5倍，而尺寸僅為最小商業化箔式應變片的1/16，同時其電阻相對變化率與應變關係曲線的線性度極高，應變敏感係數很高，強熱穩定性，高剛度，方便安裝，是趨近於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°，通過膜厚調控實現視覺的「透明」性。由於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係，穩定性好、彈性範圍大（室温下的理論彈性極限為4.2%），且響應快、信號轉換方便，因此可用於高靈敏監測手指彎曲程度等仿生學應用。
巨磁阻抗（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點。核心部件磁性微米絲的成分設計和結構調控成為影響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），非晶合金材料表現出高導電率和環形磁導率特徵，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−納米晶核殼結構的非晶微米絲，設計出高靈敏度GMI傳感器。該團隊連續製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構，由於其極高的環形磁疇密度和強度，大幅提升其弱磁場中的靈敏度（1743 mV/Oe），弱磁中本徵GMI性能高達78%，為普通非晶微米絲的4倍，利用其製備的GMI傳感器可在低至pT級探測分辨率的地磁通信中實現精準定位，這種高靈敏度GMI傳感器在生物醫學、定位導航、無損檢測等弱磁場領域展現出廣闊的應用前景。
2.2.3 複雜的弛豫行為
非晶物質形成需要特定的熱力學、動力學和化學條件，非晶物質能量處於亞穩態，因此弛豫與老化無時無處不在，是非晶的本徵特性之一。非晶形成體系隨温度不同，動力學弛豫時間涵蓋12~14個數量級的巨大時間尺度差異（時間跨度10−14~106 s），弛豫頻率涉及1014~10−5 Hz。同時，非晶表現出複雜的弛豫動力學行為，其弛豫時間符合擴展的指數方程（Kohlrausch−Williams−Watts方程，簡稱KWW方程）：φ（t）=exp[−（t/τ）n]，其中，0
玻璃具有和液體類似的微觀結構，通常被稱為凍結的液體。但最新的研究發現，在金屬玻璃這類緊密堆積的玻璃固體中存在繼承了高温液體動力學行為的類液原子，這些類液體原子在室温下仍可以快速地擴散，表現出與高温液體的動力學相同的Arrhenius關係（圖9），意味着在液體冷卻過程中一些原子可以延續高温液體的Arrhenius關係至玻璃固體中，導致了玻璃固體室温下的超快滯彈性和低温下的快動力學耗散峰。
2.3 非晶物質極致的性能
2.3.1 長期穩定性
非晶物質相對晶體具有較高的能量和熵，是熱力學上的亞穩態。相比晶態，非晶態具有較高的勢能，理論上非晶物質是不穩定的，會通過弛豫、結晶、長大，最后衰變、晶化成穩定的晶態物質。但是，非晶向晶態弛豫或者晶化過程需要克服能壘，不同的非晶物質會呈現出截然不同的穩定性。例如，第一個被發現的Au−Si非晶合金在室温下3 h就開始發生晶化，24 h后樣品完全晶化，而單質非晶合金則在室温下幾乎不能穩定存在。令人驚訝的是，有些非晶物質能表現出超穩定性，顛覆了對亞穩非晶材料的固有觀念。比如在實驗室製備的Ce基金屬玻璃，在接近其玻璃化温度經歷18年的長期老化中，依舊保持着完美的非晶態，熱力學穩定性優於大多數通過氣相沉積製備的超穩玻璃薄膜，甚至能與上億年老化后的琥珀相媲美，展現了非晶物質具有令人震驚的高穩定性；對中國嫦娥五號採回的月壤中玻璃研究發現，這些月球表面上的玻璃小球至少已經存在15億年（圖10）。證明了非晶物質可以是最穩定的固態物質。
穩定的非晶物質具有重要的科學意義和應用價值。例如，穩定的非晶材料可用於核廢料的封裝材料，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、刻蝕納米結構去編碼信息，可研製出壽命超長的玻璃光盤，其容量高達360 TB。由於非晶玻璃具有超高的物理、化學穩定性，因此這種五維光碟能確保數據在非常長的時間里不會丟失，理論上在温度高達190℃的環境中可維持長達上億年。目前，商業化微軟玻璃硬盤已經問世，其單片75 G像素級存儲有千年質保期。
2.3.2 超塑性
很多非晶物質具有明顯的玻璃轉變温度點Tg，當温度高於Tg時，非晶物質就變成過冷液體，在過冷液態，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明的玻璃超塑性成型技術，即玻璃吹塑成型的技術。通過這項技術，玻璃被製造成形狀精美、高雅、複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。
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製造的華為摺疊屏手機鉸鏈和非凡大師腕錶錶殼（d−f）（圖片來源：華為官網）
塊體非晶合金和其他非晶玻璃一樣具有較穩定的過冷液相區和較低的Tg，其過冷液態可以在幾十攝氏度甚至100多攝氏度的温區較長時間存在。具有穩定的過冷液態也是非晶合金相比一般金屬材料的另一項特殊的性質。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，可以在遠低於熔點的温度實現超塑性成型。其中，Ce基金屬塑料甚至具有和有機塑料類似的低温超塑性，如在開水中即可進行超塑性成形、彎曲、拉伸、壓縮和複印等精密加工，且加工製造成本低廉。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「低温超塑性」而發生冶金結合，成功實現了非晶材料在水、海水、酒精以及液氮環境下的多種形式焊接。還可以利用「低温軟化」的特性鏈接其他材料，比如將非晶合金嵌入到其他構件，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境中的複雜製造成型，可為極端條件（深空深海）下的製造提供新的思路。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，已實現華為摺疊屏手機的鉸鏈、智能手錶的錶殼等產品批量化製造（圖11），因此非晶合金在精密製造中展現出重要應用和研究價值。
2.3.3 軟磁特性
圖12 兼具高Bs和低Hc的過渡態軟磁非晶納米晶（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計圖（e）
現代電子電力設備逐漸向小型化、高效化和節能化發展，這對軟磁合金材料的軟磁性能提出了更高的要求。非晶合金由於其獨特的無序結構，表現出極其優異的軟磁性能，如高磁導率、低矯頑力、低損耗等特點，廣泛應用於各類電力電子的磁性器件中，具有顯著的節能環保優勢。2022年，松山湖材料實驗室通過全新成分設計思路，成功開發出了一種結構介於傳統非晶合金和納米晶合金之間的新型軟磁合金材料，表現出超高的磁感應強度Bs（高達1.94 T）和低至4.3 A/m的低矯頑力Hc，打破了鐵基非晶納米晶合金體系中Bs和Hc之間的互斥關係，可以應用在如高速電機、大功率光伏併網逆變器等現代電子產品中（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在非晶合金前驅體基礎上開發出具有最高高頻磁導率的新型軟磁非晶納米晶合金材料，在100 kHz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%），並且隨着頻率的提高，優勢變得更加顯著，同時表現出較高飽和磁感應強度（1.42 T）、低損耗（120 kW/m3@0.2 T，100 kHz）。該材料還具有較低的材料成本和良好的玻璃形成能力。對於實現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勢起着至關重要的作用。可以看到，Fe基等非晶合金/納米晶材料擁有優異的軟磁性能，被譽為新型綠色能源材料，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。
2.3.4 力學高強度與超耐磨
圖13 基於納米壓痕高通量技術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）
非晶合金由於沒有晶體中的位錯、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，創造了結構材料的多項性能紀錄。2019年，中國科學院物理所採用材料基因工程理念開發了獨特的高通量實驗方法，研發的Ir−Ni−Ta−（B）非晶合金在高温力學性能、加工成型性能、耐蝕性等方面表現出前所未有的綜合優勢。Ir−Ni−Ta−（B）非晶合金的玻璃轉變温度超過800℃，比目前工程應用最為廣泛的鋯基非晶合金高出400℃。在常温下，Ir−Ni−Ta−（B）非晶合金的強度約為5.1 GPa，是普通鋼材的10倍以上，即使在超過700℃的高温條件下，Ir−Ni−Ta−（B）非晶合金仍能保持3.7 GPa的強度，遠遠超過傳統的高温合金和高熵合金的強度。隨后，團隊繼續開發了利用納米壓痕技術施加大變形量誘導剪切帶和裂紋形成的高通量表徵方法，結合壓痕形貌表徵，在Ir−Ni−Ta組合樣品中的富Ta區域發現了具有極低摩擦係數和磨損率的非晶合金。在室温大氣環境中，採用金剛石球頭進行摩擦測試，該富Ta非晶合金的摩擦係數僅為0.05，採用G−Cr合金球頭測試，摩擦係數也只有0.15。最為值得關注的是，該富Ta非晶合金的磨損率只有~10−7 mm3/Nm。這樣的摩擦磨損性能已經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，科學家們系統研究了壁厚僅20 nm的Zr基和Ni基非晶合金納米管在氧過飽和固溶（>20 at%）時的彈性行為，發現非晶合金納米管的變形回覆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生高達14.1%的彈性變形回覆（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、結構複合材料、塊體非晶合金和高熵合金等塊體超彈性金屬（變形回覆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（變形回覆4%~8%）。
2.4 非晶物質帶來的顛覆性（熵調控）
非晶材料由於其複雜性、結構無序、動力學非均勻性的結構和動力學特徵，具有複雜的能壘圖或者更多的熵態。因此，調控系統的熵也是設計和探索非晶材料的有效思路。通過熵調控可以調控非晶的形成能力、穩定性等特徵，也能夠調控其力學、物理等性能。熵調控（即序調控）是繼結構調控和成分調控之后發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的（圖14）。通常可以通過2種方式進行熵調控。
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，從而調控非晶材料的性能；
二是通過對非晶物質進行微量摻雜、退火、高壓、超聲、輻照、熱冷循環等來改變非晶物質的熵，調控其物性。
例如，中國科學家將高熵調控設計理念應用到玻璃領域，採用激光加熱熔化−無容器凝固方法，成功製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（12.58 GPa）和模量（177.9 GPa），以及優異的斷裂韌性（1.52 MPa·m0.5）和良好的可見光−近中紅外波段透過性（最大為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品——大猩猩六代手機屏幕玻璃。
熵調控其實是改變物質的複雜性，物質複雜到一定程度就產生突變，達到新的層次。生命就是生物物質不斷複雜，達到新等次的產物。Anderson當年振臂一呼「More is different」迎來了凝聚態物理的大發展。在非晶物質，Complex is different！通過物質的結構、化學、構型的複雜性，增加熵成為設計和探索非晶材料的一個思路。
2.5 非晶應用展現的強生命力
非晶材料曾在人類歷史進程、科學發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，如透明玻璃應用於望遠鏡、顯微鏡、陰極射線管、温度計、光譜儀的分光鏡等科學儀器對早期科學發展作出巨大貢獻；窗户玻璃、塑料、玻璃器皿、橡膠等非晶材料給人類生活帶來了巨大便利和進步等。表1列舉了非晶物質科學研究和玻璃材料發展史大事記。非晶物質和材料科學就是一門在服務於人類生活的過程中產生並不斷發展的學科，這也是非晶材料具有強大生命力的原因。
表1 非晶物質科學研究和玻璃材料發展史大事記一覽表
非晶合金作為非晶物質和材料家族的新成員，具有非晶物質本徵的動力學、熱力學特徵，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、淨成型等特性。過去十幾年，條帶非晶合金材料已經有大規模的應用，在國內形成很大的產業鏈（有近百家非晶合金生產企業）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的國家，形成了1000億元以上的非晶鐵芯高端製造產業集羣，為國家電力系統的節能減排作出了積極貢獻。然而，塊體非晶合金的大規模工業應用一直沒有突破，這將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新轉化的充足資源，包括人才、設備平臺、資本、產業集羣、政府新機制、新政策導向等，已形成一種健康的、有利於科技成果產業化的優越環境。未來，塊體非晶合金的規模應用有望在中國取得突破。
圖15 第三代半導體材料促使電子技術高頻化、高效化、小型化，但軟磁材料的發展瓶頸直接影響第三代半導體材料功效的最大限度發揮
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高頻化、高效化、小型化，其產業應用環境要求器件軟磁材料高磁感、高頻化、低損耗，高頻應用環境下對電力電子器件的要求是形狀複雜、高頻穩定和小型輕量。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限度發揮。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於傳統硅鋼片材料及傳統的晶體結構的磁性材料。Fe基、Ni基和Co基非晶合金條帶和絲材因為其優異的高頻軟磁特性已經得到廣泛應用。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，其製造技術也已相當成熟，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展歷程（圖15），直接體現了非晶合金軟磁，以及從非晶合金發展出來的納米軟磁和複合材料在軟磁材料中的重要地位。
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）
非晶合金在高技術領域或將有很多重要應用，如圖16所示。例如，非晶合金在變形中具有自鋭特性，可用於製造新型穿甲彈（圖16（a））；非晶合金具有抗交變温度、抗腐蝕和抗輻照的特性，能夠滿足航天器大型展開機構苛刻的性能要求。NASA曾經與加州理工學院的Johnson教授合作，利用非晶合金製作太陽風的採集器（圖16（b）），安裝在起源號宇宙飛船上，成功獲得了0.1 g太陽物質，用於研究太陽，即太陽系的起源。非晶合金也可以作為光學反射部件，避免了傳統金屬（金屬基複合材料）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、超精密複寫特性、近零凝固收縮特性以及數倍於工程材料的硬度與強度特性，可採用精密製造淨成型的結構功能一體化反射鏡，目前NASA正在積極探索具有結構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製造流程、高性能光學產品的需求（圖16（c））。此外，非晶合金板具有優異的抗撞擊效應，是空天衞星、航天器防護的備選材料。圖16（d）是美國發射到火星上的火星車，其非晶合金齒輪為NASA火星登陸計劃作出了貢獻。火星車的一些機構件齒輪使用非晶合金製成。非晶合金齒輪在沒有任何潤滑劑、−200℃低温以及交變温度和風沙環境下，長時間提供強大的扭矩和平滑轉向。
非晶物質的基礎和技術研究及應用是相輔相成、交替發展的，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（如透明玻璃）在科學起源和發展、藝術的進步、生活質量和品質的提高中厥功至偉；水泥、塑料等非晶材料改變了人們生活和居住的面貌；光纖把我們帶入信息時代；非晶材料的製備和成型技術使得新型非晶材料不斷涌現，熵或者序調控成為探索材料的新途徑和理念，導致非晶複合材料、高熵材料的發現；非晶合金的發明極大地提升和豐富了金屬材料的力學、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，加深了對非晶物質基本問題的理解；對玻璃轉變的認識促使發展了很多高新技術，如保鮮技術、製藥技術、儲藏技術、分流技術等，並深化對很多自然現象的認識。
3、非晶物質未來發展的挑戰與建議
3.1 引入新的材料研發範式（材料基因、數據驅動）
21世紀以來，材料基因工程、大數據、人工智能等技術快速發展，深刻地改變着材料研發的格局和範式，極大地推動了材料研發和應用的進步，在非晶物質的研究中引入這些新理念和新方法，將對非晶物質領域的發展產生顛覆性影響，可極大提高新材料的研發效率、降低研發周期與成本。
材料基因工程引入了「理性設計－高效實驗－大數據技術」融合的新型研發模式，以顯著提升新材料研發效率，實現材料研發範式的變革（圖17）。這包括發展材料高效計算、高通量實驗、大數據等關鍵技術，構建了「計算、實驗、數據庫」三大基礎創新平臺。這些平臺深度融合、協同創新，加速了新材料的研發和工程應用。
利用高通量製備表徵技術開發出具有高玻璃轉變温度和高温高強新型塊體非晶合金（c−e）
機器學習通過融合計算機科學和統計學的理念，讓計算機擁有自主學習的能力，其核心關聯着人工智能和數據科學。機器學習在許多領域已經取得了顯著成果，尤其是在材料設計方面，甚至Norquist教授研究發現被視為「失敗」的實驗數據中也包含了重要信息。機器學習為解決非晶材料領域的關鍵問題提供了新的途徑，它可以應用於以下方面：
（1）基於結構相似性分析非晶材料的結構特徵；
（2）分析模擬或實驗獲得的結構、動力學、力學性能等數據，建立結構與性能之間的關聯；
（3）分析現有實驗數據得到模型，並根據模型預測合金的成分和其非晶形成能力。
這些應用已經取得了一些成果，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））。基於材料基因組計劃發展起來的高通量製備與表徵技術為非晶合金新成分的高效開發提供了一種更為理想的途徑。例如，美國耶魯大學Schroers團隊利用高通量製備和表徵的思路，設計了巧妙的高通量製備和表徵方法，優選出Mg基非晶合金最大形成能力成分點，比傳統的方法要節約時間3000倍。2019年中國科學院物理所汪衞華院士團隊基於材料基因工程理念設計開發出一種全新的Ir−Ni−Ta−（B）塊體金屬玻璃，其玻璃轉變温度高達1162 K，且1000 K時的強度高達3.7 GPa，遠遠超出此前報道的塊體金屬玻璃和傳統的高温合金（圖18（c−e））。這些工作證實了材料基因工程在非晶合金研發中的有效性和高效率。
圖19 基於數據驅動的非晶形成能力新判據大幅提升了新體系的開發效率：對於單個三元合金系，常規的試錯法~250個塊體合金；高通量~100個；新判據~個位數
另外，數據驅動的材料探索可進一步提升新材料的研發效率。中國科學院物理所柳延輝團隊通過建立特定性能或性能關聯的數據庫，並打通高通量實驗和實驗數據自動分析的關鍵環節，實現了非晶合金新材料的高通量、流程化研發。基於這一研發模式，發現了非晶形成能力的Δq−GFA新判據（圖19），大幅提高研發非晶合金新材料的效率，併成功預測出非晶合金新材料體系。
材料基因工程的高通量技術顛覆了非晶合金領域60年來的材料研發常規路徑，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。基於大數據和機器學習的人工智能引領新一輪科技革命，有望解決合金玻璃形成能力等關鍵問題，幫助高效預測新材料。
3.2 重視工藝創新的重要性
回顧傳統非晶玻璃的發展歷史，助溶劑、吹鑄、浮法平板、離子交換等工藝的創新極大地促進玻璃材料的發展與應用；回顧非晶合金的發展歷史，每次研究高峰同樣離不開製備工藝的創新發展引起的非晶形成能力突破（圖20）。其中，第1代是微米級非晶帶材，Duwez在1960年首次採用熔體快速冷卻技術製備，開創了非晶合金研究新紀元；第2代是基於固態反應非晶化形成的非晶粉末與薄膜，1980—1990年科學家提出新方法，帶來了第2個高潮期；第3代是毫米級塊體非晶合金，從1990年至今，通過吸鑄工藝創新與合金成分設計共同提高非晶形成能力，形成了第3個高潮期（圖20）。每次技術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，未來的突破取決於新工藝創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。
目前，非晶形成能力主要依賴於急冷凝固這種「自上而下」的工藝，實現對抑制形核的控制。先進製造技術基於「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，同時解決傳統成形加工技術難以完成的複雜構件成形制造難題。目前，已經發展出多種非晶的先進製造技術（圖21），包括3D打印技術、聲製造技術、光製造技術、基於半固態成形、基於超塑性的連續成形，以及原子製造等，這些技術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。由此可見，製備和加工工藝的創新一直是非晶材料發展與應用的關鍵所在，非晶材料未來的發展與突破同樣離不開工藝創新。
3.3 推動非晶物質與其他學科領域的交叉融合
隨着科技不斷進步，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展和突破性的成果。非晶物質科學領域也不例外，通過多學科的交叉，為解決該領域長期存在的關鍵科學問題提供了新的研究思路，同時也可能建立和發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科學發展的趨勢。
在結構材料方面，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。相較於傳統結構材料，非晶材料在極端條件下表現出更高的強度、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。非晶合金的發現還催生了新型結構材料家族，如高熵合金、準晶、金屬間化合物等。
在力學方面，非晶物質的力學行為與晶態固體材料迥然不同，涉及多個方面，包括塑性流動機制、連續介質本構模型、形變機制、局域化剪切帶、強度理論和斷裂機理。對非晶物質力學行為的研究將有助於豐富和發展傳統力學理論。
非晶體系類似於活性物質體系和生命體系，是典型的遠離平衡態的系統。非晶物質形成的玻璃轉變提出了新問題和挑戰，對熱力學和非平衡態統計物理學的發展產生促進作用。
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徵的集成要求。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、環境、催化和生物醫用材料領域，非晶合金展現了廣泛的應用潛力。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，同時在生物醫用材料領域有着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部和表面的演化信息，可作為容器長期保存3He和液態水等月球資源，作為月球時鍾記錄火山活動和撞擊事件的編年史。利用非晶合金製造的反射鏡、柔性齒輪可為人類建設月球基地、探索火星資源發揮不可替代的作用。
3.4 發揮先進表徵技術及大科學裝置的優勢與作用
新的實驗技術是解決非晶物質基本科學問題和技術難題的關鍵，目前非晶材料的研究模式長期依賴於科學直覺和經驗積累，要想實現快速發展的新模式，需要充分利用和結合現代先進表徵技術與大科學裝置，獲取非晶物質在原子、電子結構層面的結構信息，並建立結構和性能內在的相關性。如利用消球差電子顯微技術成功實現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構信息；採用AET實現對非晶材料進行多角度成像並結合計算機重建出三維原子結構。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構方面具有不可替代的作用；同步輻射光源中的X射線光子關聯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；基於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，可用於獲取液體到非晶轉變過程中原子、電子動力學演化的高時空分辨圖像，為破解玻璃轉變的世紀難題提供了可能。這些先進表徵技術和大科學裝置可為非晶材料科學家快速發現新材料、洞察材料物理、揭示材料新現象的強大作用和潛能提供助力。
3.5 打造產學研用全鏈條創新模式
在非晶合金領域，中國已經成為國際非晶合金材料及其應用技術研發的重要力量，當前中國在非晶材料基礎研究方面已處於國際先進水平，中國相關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；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的體系，缺乏具有國內知識產權或者牌號的非晶合金體系。主要原因是國內強大的實驗室非晶合金研發能力與企業、市場之間缺乏有效銜接，使得「產學研用」結合不緊密、創新鏈和產業鏈不完整。面對這種現狀，必須將材料基礎研究、工業化製造、應用技術融合發展，集中開發具有自主知識產權的非晶材料工程化、產業化核心製備技術，推動非晶材料面向能源、信息、高端製造等高新產業的應用技術發展，形成以企業為主體、市場為導向、「產學研」相結合的技術創新體系，為中國非晶材料的市場開發和工程化應用提供有力的技術支撐。
目前，中國經過數十年的基礎與應用基礎研究積累，已經聚集起各類優勢資源，包括最強大的青年科學家隊伍，最龐大的產業化工程師隊伍，最齊備的規模化製備設備與產業化平臺，最好的政策導向與成果轉化機制。因此，進一步推進實驗室研發和企業應用相互合作，打造產學研用全鏈條創新模式和協作關係，制定健全中國非晶合金的生產製造、使用標準，引導非晶合金產業科學、合理、規範發展，堅持非晶材料產業化技術工藝、應用技術並重的原則，搶佔國際非晶材料應用技術制高點，非晶材料的未來必將屬於中國。
4、結語
劍橋大學歷史學家Macfarlane在他的著作The Glass Bathyscaphe中指出，非晶態玻璃之所以重要不僅在於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人類兩個重要的器官——眼睛和大腦的功能。一個沒有非晶物質的世界將會動搖現代化進程的根基：基於顯微鏡認識細胞、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；基於望遠鏡明白天文學知識后，瞭解到我們在宇宙中所處的位置；基於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；基於光纖我們真正實現了古人夢寐以求的「千里眼」和「順風耳」，使距離不再遙遠。對這些概念性突破而言，地球上沒有任何東西比非晶物質（玻璃）的影響更大。非晶物質不僅給人類的生活帶來無限的便利與遐想，更重要的是，對非晶物質科學的研究孕育着無限的可能，已成為科研工作者新理念、新思想的源泉。非晶物質，讓未來變得更美好！
本文作者：柯海波，周靖，童星，汪衞華
作者簡介：柯海波，松山湖材料實驗室，研究員，研究方向為非晶合金的研發及應用探索；汪衞華（通信作者），松山湖材料實驗室，中國科學院物理研究所，研究員，中國科學院院士，研究方向為非晶態材料與物理。
文章來源：柯海波, 周靖, 童星, 等. 非晶物質的前沿發展現狀與未來展望[J]. 科技導報, 2025, 43(15): 20−38.
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