德国科学家用玻璃制造发动机，此举突破常规，对现有物理学认知发起有力挑战

据美媒3月27日报道，如今电机中使用的晶体合金会通过热量损失部分能量，而玻璃态金属或许能解决这一工程难题。尽管名为金属玻璃，但它强度极高，因其无定形原子结构，能在电机中高效地将电能转化为机械力。萨尔兰大学研究人员发现了三种易于玻璃化（转变为玻璃态）、可替代电机材料且能通过增材制造部署的金属玻璃合金。通过降低电机的铁损（因再磁化而损失的能量），这项研究可能开启高效电机的新时代。

大大小小的电机都只有一个任务：将电能转化为机械能。几个世纪以来，人类在提高电机效率方面已十分出色，几乎所有产生的能量都能无缝转化为动力，而非以热量形式浪费。工程师依靠软磁粗晶铁合金来实现这一目标，但它们并非完美无缺。这是因为大多数电机都有一个转子和一个静止的定子，定子会产生一个随时间和方向变化的交变磁场。每次晶体结构的磁性需要翻转方向时，再磁化过程就会消耗能量。这反过来会产生一种摩擦，导致热量（一种浪费的能量）产生，这一过程被称为“铁损”。电机转速越快，效率损失就越大，而且随着电机尺寸的减小，效率损失会更大。

有人或许会说，这只是事物的本质，只能接受铁合金金属总会通过这一基本物理过程损失一点能量。但萨尔兰大学的研究人员并不满足于这个答案。相反，他们一直在研究用一种更奇特的金属来替代这些传统材料。萨尔兰大学的拉尔夫·布施在一份新闻声明中表示：“我们想用无定形、玻璃态合金替代这些传统晶体合金，因为它们在再磁化过程中几乎不会损失能量。当晶粒极小，即结构为纳米晶，或者根本不存在晶体结构，即材料呈玻璃态或无定形时，损失会大幅下降。”

金属玻璃听起来或许自相矛盾，至少在结构完整性方面如此。然而，玻璃本身就是一种材料难题。它无疑是固体，但其粒子像液体一样无序（或无定形），因此有人将玻璃描述为“悬浮的液体”。布施及其团队对玻璃的无定形特性感兴趣，因为这能让他们制造出一种比钢更坚固的材料。科学家通过精心挑选原子种类，在原子冷却时将其“冻结”在原地，形成类似玻璃的无序结构，从而制成金属玻璃。事实证明，这种无定形结构特别适合最小化因再磁化而导致的能量损失。

布施在一份新闻声明中表示：“由于金属玻璃没有晶粒，磁区域（即魏斯域）不会受到阻碍，可以在磁场变化时自由重新定向。因此，金属玻璃的磁性非常适合用于电机。”这些金属玻璃部件可用于传统的注塑成型制造技术或3D打印，后者是一个名为“用于软磁性的无定形金属增材制造”项目的重点，该项目获得了欧盟数百万欧元的资助。找到完美的合金并不容易，这种材料需要易于玻璃化（即转变为玻璃态），具备制造电机部件所需的特性，并且能够通过3D打印部署。布施说：“突破发生在一年多前。研究人员确定了三种抗结晶且具备成功打印完全玻璃态金属电机部件所需特性的合金。”

当然，在实验室里听起来不错的东西，在工业规模上可能很快变得不可行。展望未来，布施及其团队正全力以赴）改进一种名为激光粉末床熔融的增材制造工艺，以提高其可靠性并优化加工过程。如果他们能成功，一个全新的电机时代将诞生。

（原文标题：Scientists Built a Motor Out of Glass—And Challenged What We Know About Physics）