探究空气动力悬浮、过冷液体和玻璃形成，能在各个领域实现创新
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«——【·前言·】——»
无容器方法是解决材料加工过程中存在问题的一种有吸引力的解决方案，传统的容器会引起容器与物质之间的化学反应，可能导致组件的污染，容器壁还提供了结晶的外来成核位点，并且通常限制了可以实现的过冷程度。
过冷是玻璃形成的先决条件，因此许多无容器加工工作都涉及新型玻璃的合成和表征，悬浮液滴的自由表面，使得液滴振荡方法可以用于研究流体的性质，如表面张力和粘度，无容器方法消除了样品架在X射线，和中子束线测量中的背景散射。
«——【·空气动力悬浮·】——»
在这篇综述中，着重介绍气动悬浮技术的应用，这种方法已广泛应用于金属氧化物的研究，较少用于金属、合金和半导体，气动悬浮组件的小尺寸使其能够，与各种非接触式诊断方法集成。
由于气动悬浮需要气体环境，因此可以使用工艺气体实时调整样品的化学特性，使用氧化还原混合物调节p可以改变熔体中阳离子的氧化态，对于可能容易氧化的金属样品，悬浮气体可以通过使用氧气捕集剂，将氧化性杂质净化到亿分之一水平。
使用亿分之一纯度的气体相当于使用总压力为10^-9大气压，避免了使用超高真空系统的需要，气体的存在抑制了样品的蒸发，并减少了涂覆在窗口和其他组件上的蒸发物质，气动悬浮的基本要求是通过流动气体产生的力使样品的重力抵消。
这力可以用阻力系数Cd乘以气体密度ρ和流动速度u的平方、以及与气体相互作用的样品面积A上的压降表示，从方程可以明显看出，通过流动大量高速气体可以轻松产生非常大的力量，实际上就像飞机上的情况一样。
对于熔融样品，液滴的大小和形状是由液体的表面张力控制的，通常对于表面张力值在几百m Nm^-1的熔融氧化物来说，悬浮液滴的实际尺寸限制在约2-4毫米的直径范围内，气动悬浮通常使用一个锥形角为30-60°的收敛-发散喷嘴。
以及一个腰部直径约为0.5-3毫米的孔口，早期的喷嘴如别的学者报道的那样比较深，只有从上方看才能看到样品，后来另外学者的工作导致了尺寸显著减小的喷嘴的发展，使得大约30-70%的样品能够悬浮在喷嘴平面上方。
喷嘴可以由铝合金、不锈钢、钒和包括氮化硼、可加工陶瓷和石墨等非金属材料制成，铝合金是一个方便选择的耐用且易于清洁的喷嘴材料，实现悬浮所需的气体流量通常约为每分钟约0.5升，已成功使用各种气体，包括氩气、氧气、空气和基于CO/CO2的氧化还原混合物来悬浮样品。
«——【·实际问题·】——»
在高温材料研究中，一项重要的要求是能够对悬浮样品进行非接触式的温度测量，光学测温法是一种方便的方法，可以测量悬浮样品的辐射温度，该技术依赖于对热辐射光谱的部分测量。
在通过光学窗口观察样品的情况下，需要对光从窗口-大气界面的菲涅尔反射进行适当的校正，窗口必须无尘或无沉积物，以避免散射或吸收降低透光率，两个窗口说明了随着时间，从样品蒸发而形成的沉积物的类型，可能导致温度测量中的显著误差。
蒸发引起的第二个问题是样品组成的变化，通常情况下，多组分样品的蒸发是不均匀的，在测量的任何阶段都会导致样品组成的不确定性，蒸发程度较大的样品必须迅速测量以最小化组成变化。
«——【·热物性·】——»
由于容器的相互作用和其对测量本身的影响，高温下测量热物性特性，特别是液体的特性是具有挑战性的，悬浮技术已与熔化焓、密度、表面张力、粘度和热导率的测量相结合使用，大部分金属方面的研究都是使用静电悬浮。
静电悬浮非常适合使用成像测量密度、滴落振荡法测量表面张力和粘度，因为整个样品都可以被成像，空气动力学悬浮已被用于密度的测量，表面张力和粘度的提取更加困难，但已在一个条件接近理想的已知组成上，进行显示的空气动力学悬浮中进行研究。
对于不稳定悬浮系统的推广正在开发中，涂层会衰减热样品的辐射，导致光学测温计测得较低的表观温度，在约1000℃以下的温度下，样品开始在0.9μm处变得透明，导致表观温度测量较低。
对于对氧化物液体的研究，可能需要使用中红外测温计，以避免与样品的透明性相关的问题，可以通过已知质量的样品的测量体积，来计算悬浮样品的密度，对于只有部分样品可见的空气动力学悬浮液体的实验，采用垂直轴周围的径向对称假设。
通过分析可见部分样品的图像来计算椭球形滴液的体积，在静电悬浮器中熔化BaTiO3时，发生的密度差异的戏剧性例子，其中在平衡熔化点以下约600℃的超冷液体上，获得了数据，通过空气动力学悬浮也确认了熔化时的大体积膨胀。
对于具有非常高温度的氧化物的焓的测量，已使用了一种滴-接捕热仪，该仪器采用了别的学者提出的“分割喷嘴”设计，喷嘴可以沿垂直接缝分离，使用快速作用执行器，当喷嘴打开时，热样品落入完全封闭的热量计中，以最小化热损失并实现热含量的测量。
涉及液体的空气动力学悬浮的结构测量的开创性工作，大多使用了核磁共振技术，空气动力学悬浮喷嘴被整合到NMR磁体中，以研究NMR活性阳离子的配位，随温度和过程气氛的变化，这项早期工作通过使用辐射散射技术，对液体和玻璃进行研究而得到显著拓展。
«——【·辐射散射实验·】——»
这将引出辐射散射实验，通过加热材料，可以通过对晶体结构在宽温度范围内的精细化，来获得材料的热膨胀性，使用衍射进行的微观热膨胀测量具有几个优势，经过正确校准的衍射仪通过给出的晶体晶胞参数的可以直接测量。
并且通过绝对密度的测量，来消除微小杂质和微观结构对宏观测量的影响，使用高能量的X射线束来探测悬浮的液滴顶部的100-200微米范围，并与从上方加热的激光束进行共线探测，忽略底部半区域的散射，以消除与喷嘴相关的复杂衰减修正。
类似地，中子束被聚焦以仅探测悬浮样品的顶部半球，以消除与喷嘴相关的散射和衰减修正，光子和中子与原子间距的波长类似，长期以来已被用于研究有序，和无序材料的结构以及动力学。
在过去的十年里，广角高能量X射线衍射一直处于高温气动悬浮研究的前沿，它能够在几分钟或几秒钟内从样品的小区域收集高质量的散射数据，从而导致各种液态、晶态和玻璃形成研究，有学者在粒子加速器SPring-8进行的结构研究综述已经报道过。
而别的学者则在粒子加速器ESRF和Soleil上进行了报道，有学者在SRS上对超冷熔体进行了小角和广角X射线实验，超冷液体氧化物中的多形性现象。
而有学者在APS上对液体和玻璃，进行了高能量X射线研究的广泛发表，有学者对广泛的与地质有关的熔体进行了发表，而别的学者则帮助推动了气动悬浮高温晶体学的发展，有学者对几种氧化物熔体的原子结构和局部配位数，进行了广泛比较。
并展示了结构与热力学性质之间的关系，在X射线衍射实验中，实现了一个最高温度是UO2的新纪录，以前，由于所需的极高温度>3140 K和熔融UO2的化学反应性，阻碍了在模拟严重事故情景下对其进行结构研究。
通过激光束加热、气动悬浮和同步辐射X射线来获得热固态，和熔融态UO2的配对分布函数测量结果，揭示了在2670 K的λ转变附近氧原子无序度的显著增加，以及每个铀原子周围氧原子的平均配位数在熔化时的16%下降。
X射线吸收近边结构具有元素特异性的优点，能够提供关于形式价和局部配位数的信息，使用XANES进行的高温气动悬浮实验仍处于初级阶段，但别的学者对液态氧化铁和一些学者在Fe K边缘XANES方面，对Fe2SiO4+X的熔融态进行的实验已经证明了其可行性。
在后一实验中，使用与入射X射线束垂直的大出口窗口，在APS的20-BM-B光束线上使用Ge探测器测量荧光信号，通过改变气动悬浮气体的氧化还原电位，可以获得大范围的Fe3+含量，氧化状态通过分析XANES光谱中的预边峰来确定。
其他的X射线和光谱技术已经适应了无容器条件下的测量，有学者通过电磁悬浮实现了X射线吸收精细结构谱的可行性，使用流体动力学悬浮的非弹性X射线散射，动力学研究已经显示出在高温固体中，提供声子色散的数据和高温熔体中集体激元的数据。
准弹性中子散射技术也已经与悬浮技术结合使用，自从一些学者通过电磁悬浮进行的开创性工作以来，有学者也已经在ESL上进行，并且有学者已经证明了使用气动悬浮进行钙铝石的这类实验的可行性。
尽管与X射线相比，中子衍射数据具有较低的统计精度，但中子的优点包括，对氧等轻元素的敏感性，和利用同位素之间的散射差异，自从引入气动悬浮技术以来，液态Al2O3一直是研究的焦点。
对该材料的兴趣很大，最近有一个多团队的努力产生了广泛的中子和X射线衍射数据，并结合了反向蒙特卡洛提供了高度约束的液态结构模型，高通量中子源的发展也使得能够使用同位素置换方法，进行元素特异性的中子衍射研究。
在钨酸钡的例子中，钨酸钡在晶态形式中是一种被广泛研究的具有压电性质，和非线性光学应用的陶瓷材料，菱面、正交面和四方面的相都是铁电的，而高温立方相系统是顺电的，在钨酸钡的所有这些固态相中，钛以经典的ABO3钙钛矿结构中的氧八面体形式存在。
而钛-氧和氧-氧间距在相变时发生了相当大的变化，因为八面体发生了畸变，钨酸钡中的钛-氧距离范围从1.84-1.88 Å，到中等2.0 Å和长2.13-2.2 Å，较短的钛-氧距离在熔体中持续存在，表明液态中存在着较低配位多面体的显著比例。
以前唯一报告过的四面体氧配位的情况是在结晶的Ba2TiO4中，熔体中的低配位与观察到的密度降低相一致，对通过玻璃转变的超冷液体进行的时间分辨衍射实验，揭示了重要的结构变化。
有学者展示了脆性玻璃形成液体CaAl2O4，在超冷过程中由稳定液体相到低于Tg的冷玻璃相的结构演变，结果显示，在平均最近邻键长缩短的同时，铝-氧配位数减少，类似地，从人高温熔体冷却到非人类区域，有学者展示了CaO6多面体聚合在接近1.2 Tg时发生。
这是根据模态耦合理论预测的，相反，聚焦激光束可以达到非常高的温度，而对于低温熔体、超冷液体和玻璃形成的研究，需要使用偏焦、扩散的激光加热，有学者对熔融Na2B4O7的X射线测量揭示了从低密度开放结构，向接近玻璃转变的致密聚合熔体的连续结构转变。
熔体结构的温度依赖性发现与组成强相关，平均硼-氧配位数在1.2 Tg以下增加，无容器方法已经显示出通过使脆性液体，开始变得粘稠而扩展玻璃形成的能力，在气动悬浮器中淬火获得的冷却速率通常为~30-1000 K/s。
«——【·结论·】——»
无容器方法的早期开发和使用，主要受到20世纪80年代对低重力材料加工优化，和制造高附加值材料潜力的推动，在航天局的支持下，开发了多种无容器技术。
地面研究建立了有效的工具，用于对从水溶液到熔融钨，和难熔氧化物等材料进行无容器加工，随着无容器样品环境的发展，分析仪器、成像技术、计算机数据分析和紧凑型高功率激光器也取得了重大进展。
极高通量、高能X射线同步加速器和脉冲中子源已广泛用于研究，无容器样本环境与新的辐射源的结合，是自然而然的发展方向，现在几乎所有主要的辐射散射设施，都计划采用无容器方法。
这些能力对于开发新型功能玻璃、金属合金、核燃料和医药材料等具有重要价值，获得具有新特性和结构状态的能力，将最终导致新材料系列的设计，无容器方法的使用正在成为当代研究人员的常规工具。
将无容器样品环境与仪器集成，并扩大可访问的条件范围前景非常光明，正在制定高压空气动力悬浮计划，以提高氧逸度，并能够在高温条件下形成高度氧化的阳离子，将光谱仪器和高速、高分辨率成像技术集成起来，以进行原位的结构、键合和特性研究。
空气动力悬浮、过冷液体和玻璃形成等现象，都在展示着自然界的多样性和复杂性。这些现象的研究，不仅有助于我们更好理解物质的性质行为，还为科学和技术的发展提供了新的方向和机遇。通过深入探究这些现象的本质，我们有望在各个领域实现更多的创新和突破。