加州材料科学家们发明了一种特殊的金属玻璃，其强度和韧性超过了任何已知材料，其制备方法可能开辟一种新的材料制造途径。
这种由钯制成的微合金玻璃，其化学结构能够抵消玻璃固有的脆性，同时保持其强度。它的密度不高，比钢铁轻，重量与铝或钛合金相当。
“它拥有有史以来最好的强度和韧性的结合，”劳伦斯伯克利国家实验室材料科学家、描述这种新玻璃的论文作者之一罗伯特·奥·里奇（Robert O. Ritchie）说道。“它不是有史以来最强的材料，但肯定是强度和韧性结合方面最优秀的材料之一。”
换句话说，存在一些更韧的材料，但它们强度较低；也存在更强的材料，但它们韧性不足。要理解这一点，需要定义强度和韧性之间的区别。强度是指材料在变形前能承受多少力。韧性是指断裂或破碎所需的能量；它描述了物体吸收能量的能力。大多数时候，这两种特性是相互排斥的。“同时拥有这两种特性是我们的终极目标，”里奇说。
想想陶瓷杯——它相当坚固，能够轻松应对冷热温度，并保持形状。但它并不太韧——没有延展性，没有弯曲的特性来阻止它从地板上摔落时破碎。另一方面，橡皮筋很韧，可以拉伸和扭曲，缠绕住你的报纸、鸡蛋盒以及其他各种物体。但它很弱，而且不需要太多能量就能使其变形和断裂，然后痛苦地弹回你身上。
性能增强的玻璃并非新鲜事物——康宁公司的大猩猩玻璃，用于手机、笔记本电脑和电视屏幕，是通过压缩离子进行化学强化，这有助于防止裂纹和碎裂。自1915年以来用于望远镜镜片和烤盘的耐热玻璃（Pyrex）经过热强化，以抵抗断裂。但它们都无法提供制造飞机或桥梁所需的韧性。
理想的结构材料兼具强度和韧性；钢铁就是一个很好的例子。这种新玻璃的强度和韧性的结合远优于任何钢材。
“当你建造一种结构材料时，你希望它尽可能坚固，但限制因素是它必须能够抵抗断裂，也就是说，尽可能地韧，”里奇说。“例如，金门大桥是由相对低强度的钢材制成的，因为你希望它先弯曲，而不是突然毫无预警地断裂。”
玻璃材料通常非常脆——它们在剪切带形成后断裂，剪切带是应力集中的狭窄区域，最终会变成裂纹。一旦剪切带形成，就几乎不可能阻止裂纹的产生。但里奇解释说，钯的特性改变了这种动态。与其让一条剪切带在玻璃中传播，不如会形成大量剪切带并相互卷曲，从而需要更长时间才能变成裂纹。这些剪切带使材料在断裂前能够弯曲——这是你不会期望从玻璃中得到的特性。
“剪切带很容易形成，但它们很难变成裂纹。最终结果是，形成了很多剪切带，这导致了塑性——你可以非常容易地弯曲它，”里奇说。
由马里奥斯·D·德米特里乌（Marios D. Demetriou）领导的加州理工学院的研究人员，多年来一直在研究金属玻璃，并使用各种配方来增强其韧性或防止其断裂。例如，之前的一种方法是通过引入晶体相来阻止剪切带的发展。而这种新玻璃根本没有晶体，只有由钯与磷、硅、锗和银组成的微合金。
“每种元素都想以其自身的形式结晶，但如果有五种，材料就会变得混乱——它不知道该如何结晶，所以结晶过程就会减慢，”里奇说。“它是100%玻璃态；没有任何东西可以阻止裂纹，我们认为这是一个重要的发展。”
加州理工学院的研究人员希望接下来尝试用其他金属配方。
由于涉及的金属量以及所需的冷却过程，这种玻璃价格昂贵且难以制造。所以你不会很快看到由钯玻璃制成的飞机和桥梁——但这种材料及其制造工艺，为这些结构未来的发展带来了希望。
“对于桥梁、船舶、航天器、发动机材料，你希望结合强度和韧性。而这恰恰提供了一种实现这一目标的方法，而且坦率地说，是在所有材料中最不可能的一种——玻璃，”里奇说。
本周的《*自然-材料学*》（Nature Materials）杂志刊登了关于这种新玻璃的详细介绍。
