你真的了解玻璃吗？
发布时间：
2024-03-28
透过玻璃窗，明媚的阳光、美丽的夜景清晰可见;划过玻璃屏，手机就能按照指令呈现内容;拿起玻璃杯，香甜的牛奶、醇厚的咖啡陪伴我们度过美好的一天……我们对玻璃并不陌生，玻璃器具在生活中随处可见，可是你真的了解“玻璃”吗?玻璃到底是什么，这个问题就连物理学家都还没有答案。
捉摸不透的玻璃
在描述物体时，我们首先提到的特征通常是物质状态，比如固态、液态和气态，但是在描述玻璃时，要说清它是什么状态却并不容易。
什么?你一定迫不及待想反驳了，玻璃是什么状态谁不知道，不就是固态吗?但是，科学家在描述物质状态时，可不仅仅是靠眼睛看、用手触摸，对他们而言，更准确的标准应该是其微观结构。固态物质之所以有固定的形状，是因为其组成粒子结构稳定、排列规律，而液态物质、气态物质之所以容易变形，就是因为其粒子结构不定、排列混乱。可是玻璃并不遵守这一规律：它们虽然拥有固定的形状，但其粒子排列方式却与液体粒子一样无序!也就是说，虽然从外表上看，玻璃像是固体，但其本质却更像液体。
玻璃让人困惑的地方不仅如此。我们说，固体粒子结构稳定、排列规律，其实不是它们“自愿”这样做，而是当温度下降到某个极限(我们称之为物质的凝固点)时，物体粒子运动的动力不足以突破粒子间的作用力，所以粒子会突然发现自己被困在原地(我们将这种束缚粒子的力量称为“晶格”)，无法动弹，最终成为固体。
但玻璃粒子不一样，我们根本找不到玻璃粒子的凝固点，当温度不断下降时，玻璃粒子并没有突然被困住，而是随着温度的下降不断减缓运动速度，不论温度降到多低，玻璃粒子仍能以非常缓慢的速度运动，最终呈现出类似液体的无序排列状态。换句话说，在玻璃身上我们发现了一种奇怪的现象——粒子运动不再因温度下降而停止，类似液体粒子的无序排列被神奇地固定了下来。
最后，无奈的科学家只能将玻璃划为新形态物质：非晶态固体，也就是长得像固体的“高黏度液体”。
玻璃为何如此奇怪
虽然承认玻璃是一种新形态的物质，科学家仍然想搞明白，玻璃为何如此与众不同。
20世纪80年代出现的模态耦合理论被认为是描述玻璃转变最有用的理论。这个理论形象地将粒子间作用力描述成“笼子”：液体中的每个粒子都位于由其邻近粒子所形成的笼子里，随着温度的降低，笼子的强度增加，温度降至凝固点时，笼子强度将趋于无限大，使得粒子无法逃脱。而玻璃粒子具有高流动性，粒子除了在笼子中做常规的振动和随机“游动”外，其所在的笼子位置也同时随着周围粒子的重排而改变。因此，即使温度到达“凝固点”，笼子的强度无限大，由于其位置不固定，玻璃粒子仍能小范围运动，看起来就像玻璃粒子没有被固定一样。
实验结果也在一定程度上支持了理论分析。英国布里斯托大学的科学家帕特里克·罗亚尔用高倍显微镜观察了胶体微粒的结晶过程。结果发现，这些粒子形成的凝胶会组成二十面体结构，因为二十面体无法像普通晶体那样堆叠成晶格结构，因此它们不会形成固体结晶，最后只能成为玻璃状物质。美国物理学家凯尔顿及其团队进行的实验显示，原子以有序结构聚集在一起可形成岛状物，这些岛状物似乎可以阻止液体变成固体，让原子保持一种无序的排列状态。
世界上的物质数量有无穷多种，想要一一证明物质成为玻璃所需的条件需要进行无数次实验，这当然是不可能的。美国西北大学的研究人员设计了一个算法，能够模拟加热时不同材料粒子的运动方式以及它们形成玻璃状物质时的温度。研究人员用三种不同的聚合物——聚丁二烯、聚苯乙烯和聚碳酸酯(都是常见的塑料)测试他们的方法——结果表明，算法可以准确模拟这些材料成为玻璃状物质的过程。这样，科学家们就能更直观地了解玻璃的成因了。
让金属变成玻璃
科学家们之所以如此执着于玻璃，并不仅仅是为了解开一个未解之谜，玻璃状物质本身具有一些神奇的特性，当常见物质变身“玻璃”时，它们也会获得这些特性，发挥特殊用途，而了解玻璃成因，有助于制造这些材料。
科幻电影《终结者》中出现的未来战士拥有不死不灭的特性：他们无坚不摧，许多强力武器都拿他们毫无办法;即使被炸得粉碎，肢体碎片也能够像液体一样自然流动，然后自动修复成原来的样子。如果要在现实中寻找制造未来战士躯体的材料，那么就应该是金属玻璃。
所谓金属玻璃，指的是由常见金属元素组成的，外表上与普通金属相似，但其内部原子排列与玻璃相同的物质。金属玻璃具有极高的强度，相同直径下，金属玻璃的强度是普通钢筋的10倍左右;金属玻璃的粒子排列像液体一样杂乱无章，所谓“抽刀断水水更流”，我们知道，即使破坏了液体原有的状态，它也会很快恢复原状，因此和普通金属相比，金属玻璃也更容易复原。
那么，该如何制造金属玻璃呢?1959年，美国加州理工学院杜威兹教授等人用制备玻璃的方法，将高温金-硅合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上，以每秒约100万度的超高速度冷却熔体，使得金属熔体中无序的原子来不及重排，从而首先制得了金属玻璃。由于金属玻璃具有高强度、软磁性、高弹性等独特性能，它很快在军事领域、电力应用等方面崭露头角。
然而，使用传统方法制成的金属玻璃呈很薄的条带或细丝状，这限制了金属玻璃的应用范围，人们迫切需要找到制备大块金属玻璃的方法。在这个过程中，得益于人们对玻璃的形成过程的深入了解，科学家们想出了一些让金属玻璃加速成型的方法。比如，将某些金属化合物粉末置于氢气环境中，加压固化，直到金属粉末成为玻璃化物质。原子半径较小的氢原子在金属元素晶格内具有很高的扩散率，在一定的条件下，能够使金属晶格遭到破坏，形成无序的结构。又比如，通过反复的加压、降温、升温、降压过程，也能破坏金属元素本身的晶格结构，让它变成原子排列无序的玻璃状。
能够击穿坦克的穿甲弹、能量耗损更小的变压器、高强度的金属玻璃网球拍等，金属玻璃出现在越来越多的领域中，正在更加广泛地影响我们的生活。未来，金属玻璃还将发挥更大的作用。而人们在将更多材料变成“玻璃”的时候又会收获怎样的惊喜呢?让我们拭目以待。
