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材料科學家和工程師旨在設計和開發具有優異性能的大塊金屬玻璃（BMG）。主要的技術挑戰是在實驗室中擴大其尺寸並改善材料性能。現在，Jiang Ma和一組跨學科研究人員在《Science Advances》上發表文章，通過微/納米光機電工程，機械工程，計算科學研究和力學與物理研究所的各個部門合作解決了這個問題。他們展示了一種使用金屬玻璃帶合成BMG（散裝金屬玻璃）和金屬玻璃-玻璃複合材料的新方法。使用超聲波振動他們充分激活了超薄表面層內的原子尺度應力鬆弛，從而在低溫下加速了碳帶之間的原子鍵合。遠遠低於玻璃化轉變點。新方法克服了與常規方法有關的尺寸和成分限制，以促進具有獨特物理性能的金屬玻璃的快速粘結而不會結晶。研究工作為合成擴展成分的BMG開闢了一個新窗口，從而使迄今為止尚未報導的多功能玻璃-玻璃複合材料的發現成為可能。
玻璃是整個人類歷史上必不可少的材料，在科學研究和日常生活中發揮著實際作用。天然或人造玻璃的變體在光學，生物技術，醫學和電子學中有著極端的應用。自從發現以來，大塊金屬玻璃是研究緻密無規包裝玻璃的結構和性能的很好的典範材料。由於其高彈性極限和出色的耐磨/耐輻射性，該材料在未來的應用中非常有希望用於開發體育用品，生物醫學設備和電子設備。
然而，已知的形成玻璃的金屬液體的結晶速率仍比諸如聚合物，矽酸鹽或分子液體的普通玻璃形成材料高几個數量級。因此，玻璃成型能力（GFA）仍然是基礎研究的長期課題，同時也為BMG的潛在應用引入了瓶頸。目前，僅在有限數量的系統中發現高級GFA ，可形成基於鉛（Pd），鋯（Zr）和鈦（Ti）的BMG。過去，研究人員通過結合熱力學，火花等離子燒結，熱塑性連接方法，為了解和改進BMG的GFA以克服現有限制做出了巨大的努力。以及最近由人工智慧引導的高通量組件選擇。
研究人員通過研究多種材料，發現非晶材料（沒有可檢測的晶體結構的材料）的表面遷移率比散裝材料快得多。也有有力的證據將快速的表面動力學從單原子層擴展到納米級以形成無定形材料。儘管先前的工作表明快速的表面原子動力學可以加入不同類型的金屬玻璃，但僅在低溫下觸摸兩個金屬玻璃表面並不能立即促進金屬鍵的形成。為了通過加速表面原子遷移率來加入金屬玻璃，必須施加壓力並升高溫度。在目前的工作中，Ma等。大大加快了表面遷移率，在室溫下的超聲振動下可形成超快速的金屬結合。它們克服了玻璃合成能力（GFA）合成BMG（散裝金屬玻璃）和形成金屬玻璃複合材料（GGC）的極限，目前為止尚未見報導。
為了探索金屬玻璃表面和整體上的活化能，科學家將分子動力學（MD）模擬與活化鬆弛技術nouveau（ARTn）相結合。在物理上，激活能量與能量需要觸發相鄰子流域之間的局部跳變的潛在能源格局。為了對金屬玻璃表面的活化能分布進行統計分析，研究團隊將樣品模型劃分為平行於表面的四個不同厚度的層，厚度分別為4埃。實際的表面層表現出異常低的能量（約0.05 eV），以指數衰減模式表現，表明本體區域中的活化能與表面不同。
為了進一步了解金屬玻璃的表面活化作用，研究人員通過使用動態掃描探針顯微鏡（DSPM）繪製了其基於模型的鋯（Zr）的金屬玻璃膜的粘彈性損耗角正切（材料的無量綱測量），研究了其表面遷移率。在循環機械攪拌下，局部表面的某些表面原子被高度活化以耗散機械能，而其他表面原子則沒有。該映射結果強烈支持金屬玻璃中的表面原子保持快速遷移的觀點。Ma等。因此，期望在適當的高驅動頻率的情況下有效地激活快速鍵合過程。
為了促進高驅動頻率誘導的快速粘合過程，科學家對破碎的BMG碳帶進行了超聲波振動。為此，他們將金屬玻璃帶樣品放在帶有硬質合金腔的基板上，並施加較低的預加載壓力（12 MPa）以將玻璃帶緊密夾緊。然後，他們以20,000 Hz的頻率施加超聲波發生器（聲學鑽）。該團隊使用了三種不同的典型合金系統，包括鑭（La）基，鉛（Pb）基和鋯（Zr）基金屬玻璃帶樣品，這些樣品以前是使用傳統的熔紡工藝製備的。
使用專門設計的實驗裝置，他們在不到兩秒鐘的持續超聲波振動下，將色帶連接在一起，成為一個大塊樣品。Ma等。使用帶狀原料設計的基於Zr的散裝棒，包括使用相同工藝的La基和Pd散裝棒。但是，如果研究人員在超聲波振動之前將帶狀樣品結晶，則不會觀察到「粘結」效應，從而導致碎屑破裂。值得注意的是，獨特的無定形性質是碳帶結合形成BMG的關鍵，而BMG是在高頻超聲振動過程中保持無定形的非晶態樣品。超聲製造的BMG鑄態樣品緻密，孔隙率低。新方法的初步結果有望開發出大尺寸的金屬玻璃。
受到最初結果的啟發，Ma等人。利用高頻振動設計了具有多個非晶相和成分的BMG，並創建了結合了不同類型色帶的多相BMG。為此，他們將不同系統的金屬玻璃帶切成片，在模腔中混合，然後使用超聲振動將玻璃帶大塊地連接在一起，獲得大塊樣品。
該研究小組使用X射線衍射圖來證明單相和多相BMG均保留了其非晶態結構。科學家還使用高解析度透射電子顯微鏡（HRTEM）研究了BMG的微觀結構和原子結構，以確認存在不同相的獨特非晶態結構。為了研究整個界面上的元素分布，他們使用了能量色散光譜（EDS）並指出了通過擴散的混合程度。此後，使用分子動力學（MD）模擬，Ma等。揭示了啟用超聲的快速鍵合的原子起源，並指出表面原子的遷移率與整體原子的遷移率完全不同；這是典型用於非晶態材料。
通過這種方式，姜馬及其同事演示了一種超聲激活的連接方法，該方法通過使用單個或多個非晶相來合成大尺寸金屬玻璃。該過程從根本上與金屬玻璃的超快遷移率有關。新方法允許設計多個相和微觀結構。研究成果將建立一個新的靈活的過程來設計和設計新穎的金屬玻璃系統，以極大地擴展非晶材料的應用。