你真的了解玻璃嗎？
發(fā)布時(shí)間：
2024-03-28
透過玻璃窗，明媚的陽光、美麗的夜景清晰可見;劃過玻璃屏，手機(jī)就能按照指令呈現(xiàn)內(nèi)容;拿起玻璃杯，香甜的牛奶、醇厚的咖啡陪伴我們度過美好的一天……我們對玻璃并不陌生，玻璃器具在生活中隨處可見，可是你真的了解“玻璃”嗎?玻璃到底是什么，這個(gè)問題就連物理學(xué)家都還沒有答案。
捉摸不透的玻璃
在描述物體時(shí)，我們首先提到的特征通常是物質(zhì)狀態(tài)，比如固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，但是在描述玻璃時(shí)，要說清它是什么狀態(tài)卻并不容易。
什么?你一定迫不及待想反駁了，玻璃是什么狀態(tài)誰不知道，不就是固態(tài)嗎?但是，科學(xué)家在描述物質(zhì)狀態(tài)時(shí)，可不僅僅是靠眼睛看、用手觸摸，對他們而言，更準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是其微觀結(jié)構(gòu)。固態(tài)物質(zhì)之所以有固定的形狀，是因?yàn)槠浣M成粒子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、排列規(guī)律，而液態(tài)物質(zhì)、氣態(tài)物質(zhì)之所以容易變形，就是因?yàn)槠淞Ｗ咏Y(jié)構(gòu)不定、排列混亂。可是玻璃并不遵守這一規(guī)律：它們雖然擁有固定的形狀，但其粒子排列方式卻與液體粒子一樣無序!也就是說，雖然從外表上看，玻璃像是固體，但其本質(zhì)卻更像液體。
玻璃讓人困惑的地方不僅如此。我們說，固體粒子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、排列規(guī)律，其實(shí)不是它們“自愿”這樣做，而是當(dāng)溫度下降到某個(gè)極限(我們稱之為物質(zhì)的凝固點(diǎn))時(shí)，物體粒子運(yùn)動的動力不足以突破粒子間的作用力，所以粒子會突然發(fā)現(xiàn)自己被困在原地(我們將這種束縛粒子的力量稱為“晶格”)，無法動彈，最終成為固體。
但玻璃粒子不一樣，我們根本找不到玻璃粒子的凝固點(diǎn)，當(dāng)溫度不斷下降時(shí)，玻璃粒子并沒有突然被困住，而是隨著溫度的下降不斷減緩運(yùn)動速度，不論溫度降到多低，玻璃粒子仍能以非常緩慢的速度運(yùn)動，最終呈現(xiàn)出類似液體的無序排列狀態(tài)。換句話說，在玻璃身上我們發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象——粒子運(yùn)動不再因溫度下降而停止，類似液體粒子的無序排列被神奇地固定了下來。
最后，無奈的科學(xué)家只能將玻璃劃為新形態(tài)物質(zhì)：非晶態(tài)固體，也就是長得像固體的“高黏度液體”。
玻璃為何如此奇怪
雖然承認(rèn)玻璃是一種新形態(tài)的物質(zhì)，科學(xué)家仍然想搞明白，玻璃為何如此與眾不同。
20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的模態(tài)耦合理論被認(rèn)為是描述玻璃轉(zhuǎn)變最有用的理論。這個(gè)理論形象地將粒子間作用力描述成“籠子”：液體中的每個(gè)粒子都位于由其鄰近粒子所形成的籠子里，隨著溫度的降低，籠子的強(qiáng)度增加，溫度降至凝固點(diǎn)時(shí)，籠子強(qiáng)度將趨于無限大，使得粒子無法逃脫。而玻璃粒子具有高流動性，粒子除了在籠子中做常規(guī)的振動和隨機(jī)“游動”外，其所在的籠子位置也同時(shí)隨著周圍粒子的重排而改變。因此，即使溫度到達(dá)“凝固點(diǎn)”，籠子的強(qiáng)度無限大，由于其位置不固定，玻璃粒子仍能小范圍運(yùn)動，看起來就像玻璃粒子沒有被固定一樣。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果也在一定程度上支持了理論分析。英國布里斯托大學(xué)的科學(xué)家帕特里克·羅亞爾用高倍顯微鏡觀察了膠體微粒的結(jié)晶過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些粒子形成的凝膠會組成二十面體結(jié)構(gòu)，因?yàn)槎骟w無法像普通晶體那樣堆疊成晶格結(jié)構(gòu)，因此它們不會形成固體結(jié)晶，最后只能成為玻璃狀物質(zhì)。美國物理學(xué)家凱爾頓及其團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示，原子以有序結(jié)構(gòu)聚集在一起可形成島狀物，這些島狀物似乎可以阻止液體變成固體，讓原子保持一種無序的排列狀態(tài)。
世界上的物質(zhì)數(shù)量有無窮多種，想要一一證明物質(zhì)成為玻璃所需的條件需要進(jìn)行無數(shù)次實(shí)驗(yàn)，這當(dāng)然是不可能的。美國西北大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)算法，能夠模擬加熱時(shí)不同材料粒子的運(yùn)動方式以及它們形成玻璃狀物質(zhì)時(shí)的溫度。研究人員用三種不同的聚合物——聚丁二烯、聚苯乙烯和聚碳酸酯(都是常見的塑料)測試他們的方法——結(jié)果表明，算法可以準(zhǔn)確模擬這些材料成為玻璃狀物質(zhì)的過程。這樣，科學(xué)家們就能更直觀地了解玻璃的成因了。
讓金屬變成玻璃
科學(xué)家們之所以如此執(zhí)著于玻璃，并不僅僅是為了解開一個(gè)未解之謎，玻璃狀物質(zhì)本身具有一些神奇的特性，當(dāng)常見物質(zhì)變身“玻璃”時(shí)，它們也會獲得這些特性，發(fā)揮特殊用途，而了解玻璃成因，有助于制造這些材料。
科幻電影《終結(jié)者》中出現(xiàn)的未來戰(zhàn)士擁有不死不滅的特性：他們無堅(jiān)不摧，許多強(qiáng)力武器都拿他們毫無辦法;即使被炸得粉碎，肢體碎片也能夠像液體一樣自然流動，然后自動修復(fù)成原來的樣子。如果要在現(xiàn)實(shí)中尋找制造未來戰(zhàn)士軀體的材料，那么就應(yīng)該是金屬玻璃。
所謂金屬玻璃，指的是由常見金屬元素組成的，外表上與普通金屬相似，但其內(nèi)部原子排列與玻璃相同的物質(zhì)。金屬玻璃具有極高的強(qiáng)度，相同直徑下，金屬玻璃的強(qiáng)度是普通鋼筋的10倍左右;金屬玻璃的粒子排列像液體一樣雜亂無章，所謂“抽刀斷水水更流”，我們知道，即使破壞了液體原有的狀態(tài)，它也會很快恢復(fù)原狀，因此和普通金屬相比，金屬玻璃也更容易復(fù)原。
那么，該如何制造金屬玻璃呢?1959年，美國加州理工學(xué)院杜威茲教授等人用制備玻璃的方法，將高溫金-硅合金熔體噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，以每秒約100萬度的超高速度冷卻熔體，使得金屬熔體中無序的原子來不及重排，從而首先制得了金屬玻璃。由于金屬玻璃具有高強(qiáng)度、軟磁性、高彈性等獨(dú)特性能，它很快在軍事領(lǐng)域、電力應(yīng)用等方面嶄露頭角。
然而，使用傳統(tǒng)方法制成的金屬玻璃呈很薄的條帶或細(xì)絲狀，這限制了金屬玻璃的應(yīng)用范圍，人們迫切需要找到制備大塊金屬玻璃的方法。在這個(gè)過程中，得益于人們對玻璃的形成過程的深入了解，科學(xué)家們想出了一些讓金屬玻璃加速成型的方法。比如，將某些金屬化合物粉末置于氫氣環(huán)境中，加壓固化，直到金屬粉末成為玻璃化物質(zhì)。原子半徑較小的氫原子在金屬元素晶格內(nèi)具有很高的擴(kuò)散率，在一定的條件下，能夠使金屬晶格遭到破壞，形成無序的結(jié)構(gòu)。又比如，通過反復(fù)的加壓、降溫、升溫、降壓過程，也能破壞金屬元素本身的晶格結(jié)構(gòu)，讓它變成原子排列無序的玻璃狀。
能夠擊穿坦克的穿甲彈、能量耗損更小的變壓器、高強(qiáng)度的金屬玻璃網(wǎng)球拍等，金屬玻璃出現(xiàn)在越來越多的領(lǐng)域中，正在更加廣泛地影響我們的生活。未來，金屬玻璃還將發(fā)揮更大的作用。而人們在將更多材料變成“玻璃”的時(shí)候又會收獲怎樣的驚喜呢?讓我們拭目以待。
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