“谁”在军训“金属原子”

供稿|张小东 / ZHANG Xiao-dong

内容导读

金属原子不同于其他材料原子的散漫懒惰，它们是一个“紧密团结，注意队列”的整体。微观层面，金属原子被“影子教官”疯狂军训，从液体的乱而无序到固态的长程有序，影子教官功不可没。但是金属原子也会走错场，站错位，影响了整个排面，所以“队列”中就出现了缺陷。更有意思的是，如果科学家们故意作弄那些“听话的金属原子”，打乱他们整齐的队列，赋予了他们新的特质，并将这种结构的材料称之为金属玻璃。

初中化学课本上，我们了解到常态下大多数金属的微观结构是以晶体形式存在的，所谓的晶体结构就是金属原子在微观层面上呈现空间有规律的重复性排列，就如同军训中的我们一样排面整齐。那么金属原子为什么会如此注意排面和队列呢？是否存在一个看不见的“影子教官”在对金属原子进行军训呢？

金属原子的“影子教官”

从石器时代到青铜器时代，人类的生存发展离不开金属材料，人们对于金属材料的探究也从未停止过，现有的元素周期表中金属元素有90 个(总的118 个)，占据绝对的霸主地位。同时人们还发现金属在微观层面上原子就像“受军训的学生”一样，排面整齐统一，如图1 所示。

图1 晶体结构(图片来源：Beautiful Chemistry)

金属原子为什么会排列如此规则，为什么不随意站队呢，其中的奥秘如何呢？众所周知，宏观物质是由微观的粒子组成的，常见的包括原子、分子以及离子。金属一般是原子直接构成，每个原子之间依靠什么样的力结合在一起呢？

这个要追溯到1916 年，德国化学家科塞尔(Walther Kossel,1888 年—1956 年) 根据惰性原子性能稳定的原因是原子核外有八个电子推断稳定的化合物必须要满足元素原子的最外层电子数为八个[1]。同时科塞尔提出金属原子的外层电子一般少于四个，如图2 所示。这就使得金属原子想要趋向于稳定，必须要借相邻金属原子的最外层电子，因而金属结晶过程中倾向于构成极为紧密的结构，使每个原子都有尽可能多的相邻原子。

图2 金属原子结构(图片来源：百度百科)

随着研究的深入，人们发现金属的最外层电子并不是某几个原子之间共享的，而是处于一种自由态，游离在整个金属晶体之中，由于外层带负电的电子成为了自由粒子，原子就失去了电平衡，原子变成了带有正电的金属离子，这些游离的自由电子与全部的金属离子相互作用，形成了稳定整个金属晶体结构的力，也称之为金属键[2]。

金属键让金属原子紧密的堆叠在一起，那么又是如何让他们成一定规律排列呢？金属键实际上就了更好的控制这些原子，金属原子倾向于紧密堆叠在一起。如果我们将原子看作一个钢球如图3 所示，单一平面内金属原子紧密堆叠周围需要六个原子，同时也形成了六个空隙，单层堆叠完成以后，还需要空间的三维堆叠，层层堆叠都需要满足最密排的原则，所以所有原子都按照一定的规则进行排列[2]。

淘气的金属原子

是自由电子形成的一个电子云与晶体中所有的金属原子形成的吸引力。所以金属键是没有饱和性的，不管来多少金属原子都可以融入到这个大家庭之中，只需要金属原子的最外层的价电子共享到电子云即可，同时金属键也没有方向性，所以金属键为

大部分金属原子都能够按照队形站立，但是也有部分金属原子是“刺头”。这些“刺头”大概有三种，分别是点缺陷、线缺陷以及面缺陷[2]。

点缺陷是以小团体形式存在的或者个体形式存在的，例如请假不进行军训，原有的位置被空出，这种我们也称之为空位缺陷，或者找其他原子代替自己参加军训的，我们称之为杂质缺陷，最后的队列就变成了图4 所示。

图4 晶体点位错

线缺陷是在某一个队列或者几个队列中出现偏移，这种偏移导致队列的方向发生了变化，继而导致整个排面混乱，就像我们军训中的排头兵出现了顺拐，把我们都带跑偏了，因为看上去就像被一柄刀切了一样，所以被称之为刃型位错，如图5 所示。

图5 晶体线位错

面缺陷是在各个队列之间产生的一种偏差，属于二维层面上的位错结构。

“捣乱的”科学家教官

金属原子在自然界中按照规则排列，是一个注重队列排面的整体，虽然有一些原子比较淘气影响了队列的整齐，但是总得来说还是一个团结友爱的大集体。捣乱的科学家们不喜欢看他们整齐的样子，充当了破坏的急先锋，将金属晶体结构转化为非晶结构。

在日常生活中常见的非晶结构物质就是玻璃，其重要的一个外在体现是没有固定的熔点，在高温下呈现一种似融非融的状态(熔融状态)，所以科学家们将非晶金属称之为玻璃态金属，也称作金属玻璃。

打破金属原子的队列并不是科学家有意为之的，1960 年美国科学家Duwez 等[3]在研究金-硅固溶体时，无意间在超高速冷却条件下得到了无规律、长程无序的非晶合金，并且将这一成果发表在Nature杂志上，在材料学界掀起了一股旋风。从此以后，科学家开始从无意识的发现转向有意识的“捣乱”，金属原子的有序队列遭到了破坏。

金属玻璃成型最常见的工艺是急速冷却，高温下金属熔化变成液体状，有序的晶体结构变成了无序的非晶机构，当液体金属在极高的冷却速度下冷却时，金属原子还没有来得及排列整齐，金属溶液已经凝固完成，金属原子此时无法移动，保持着无序状态，就形成了非晶态金属。这种非晶态金属原子分布与金属溶液中原子分布相似，所以非晶态金属同时具备了金属、非晶、固体和液体特性，被认为是继钢铁、塑料之后的新一代工程材料。

结束语

金属作为工农业生产中最常用的材料之一，从简单的人工冶炼金属到复杂的新材料制备，对于金属的研究从未停止。金属原子作为构成金属材料最小粒子单元，在一定程度上金属原子的排列决定了材料性能。金属原子受到金属键的作用，在微观层面长程有序排列，形成晶体结构。但也有部分原子不受管教，导致晶体结构存在缺陷，这些乱而无序的原子排列赋予了金属新的特征。用辩证发展的眼光去看待事物，发现缺陷并不仅仅是一种残缺的美，更是通往另一个科学世界的钥匙。