固体还是液体 玻璃的身份至今悬而未决

美科学家将制造悬浮金属液滴揭开玻璃之谜

本报记者 陆成宽

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视觉中国

美国物理学家正在制造一个中子静电悬浮室,用于将一滴液态金属悬浮在半空中。

清晨的阳光透过玻璃窗洒在脸上,音乐响起,手指在手机玻璃屏上轻划关掉闹钟,悠悠的奶香从餐桌上的玻璃杯中溢出,唤醒新的一天……生活中,人们早已对玻璃态物质习以为常,但是你可能不知道,这些几乎随处可见的“玻璃”却一直困惑着物理学家,就连一向高冷的《科学》杂志,也曾将“玻璃态物质的本质是什么”列为125个最具挑战性的科学前沿问题之一。

北京时间3月31日消息,据美国《生活科学》杂志报道,美国物理学家正在制造一个中子静电悬浮室,用于将一滴液态金属悬浮在半空中,进而观察金属液滴冷却成玻璃过程中的原子活动。悬浮室将帮助科学家揭开玻璃谜团。玻璃是一种令人迷惑不解的形态,物质属性更接近液体而不是固体。通过悬浮室实验,物理学家希望进一步了解物质从液体变成玻璃过程中原子到底发生了什么。

是固体还是液体傻傻分不清

我们通常简单地认为,玻璃就是安装在窗户上的东西,但实际上,玻璃也是一种物质形态,就像气态、液态或者固态一样。所有液体都能变成玻璃,只是难易程度不同罢了。美国华盛顿大学圣路易斯分校物理学家肯尼斯:凯尔顿表示:“4000年前,生活在美索不达米亚的人就开始使用玻璃,但我们至今仍不了解液体如何变成玻璃的过程。这是最有趣的动力学过程之一。”

玻璃有形状且坚硬,具有固体的属性。但奇怪的是其原子排列方式却与液体的无序排列如出一辙。

此次研究中使用的液体为金属,例如钛、锆、镍、铂以及合金(两种或更多种金属的混合物)。如果能够快速冷却,这些液态金属也能变成玻璃,而不是固体。关键的问题是必须让这些液态金属处于不与容器等其他物质接触的状态。使用容器更容易让液态金属变成固态而不是玻璃。为了进行这种实验,液态金属必须在真空中漂浮,不接触其他任何东西。这也就是为什么要使用悬浮室。

众所周知,固体有固定的形状,液体没有确定的形状;此外,一部分固体拥有组织非常严密的原子结构,原子有规则地、周期性排列,而且这种规则有序的结构比较稳定。相比之下,液体中的原子排列则较为混乱,它们不规则聚集在一起,原子的位置不断变化。

中子静电悬浮室造价165万美元,制造完毕后将在美国田纳西州橡树岭国家实验室投入使用。项目组领导人凯尔顿及其同事——橡树岭国家实验室和田纳西州大学的江上武(Takeshi
Egami)、爱荷华州大学的艾伦:高曼以及橡树岭国家实验室的王勋利(Xun-li
Wang,音译)——希望能够在大约3年内完成制造并投入使用。

而玻璃有形状且坚硬,具有固体的属性。但奇怪的是其原子排列方式却与液体的无序排列如出一辙。也就是说,从表面上看,玻璃更像是固体,但内部原子排列却很像液体。

悬浮室将使用电极诱导金属液滴表面的电荷。在此之后,电磁场将负责让液滴在一个点上保持悬浮状态。橡树岭国家实验室的另一台机器“散变中子源”将产生中子束,目标直指悬浮液滴。(中子是原子核中的电中性亚原子粒子)研究人员计划让中子担任光线的“替身”,形成一个中子显微镜用以研究液体。穿过液滴过程中,中子能够与液滴中的原子发生相互作用。当中子在液滴另一面出现时,它们会因液滴中的原子排列呈现出一种独特的结构。

有专家认为,自然界中的固体物质,按照其微观结构的特点,可大致分为两类:一类的原子或粒子排列整齐有序,就像阅兵式的方阵,即晶态固体;另一类的原子或粒子排列混乱无序,就像大街上熙熙攘攘的人群,即非晶态固体。而玻璃就是一种典型的非晶态固体。

凯尔顿说:“我们希望悬浮室实验能够为我们提供有关液体中从未被研究的东西的信息。如果原子在液体中移动,我们能够通过中子穿过的方式了解这种移动。”在室温下以固态存在的金属必须被置于高温环境以保持液态。研究人员计划采用激光束照射液体样本以保持加热状态,而后调整激光束能量进而调节温度,让液态金属冷却成玻璃。

金沙国际唯一官网,8月15日,中国科学院物理研究所汪卫华院士在接受科技日报记者采访时说:“实际上,玻璃是原子运动得很慢的液体。液体的原子不停地在动,但玻璃里面的原子移动极其缓慢,要比一般液体中原子运动慢20—30个量级。”为了说明一般液体中原子运动速度与玻璃中原子运动速度的巨大差距,汪卫华做了一个形象的比喻:“原子在一般液体中移动的速度比火箭还要快,而在玻璃中运动的速度比蜗牛还要慢。”

物理学家希望在不同形态下比较金属的微观结构,以确定哪些因素决定形态差异。凯尔顿表示:“如果对从液体变成玻璃的结构差异进行观察,我们就能发现差异,但这种差异非常微妙。”

美国科学家菲利普·吉布斯在刊登于加州大学河滨分校数学系主页上的《玻璃是固体还是液体?》一文中也指出,从分子动力学和热力学的某些角度来说,玻璃可以看成是高黏度的液体,是无定形固体,或是既不是液体也不是固体的另一态。

固体拥有组织非常严密的结构,原子有规则地排列并且不断重复,就像是一个个积木。随着时间流逝,这种结构仍比较稳定。相比之下,液体中的原子排列则较为混乱,以不断变化的不规则结构聚集在一起。从表面上看,玻璃更像是固体,但内部原子排列却更接近液体。它们也会发生变化,只是速度比固体更为缓慢,这也就是为什么旧玻璃靠近底部的地方更厚。随着时间推移,玻璃的一些区域在引力作用下向下“渗漏”,但这一过程非常缓慢,很难被观察到。

形态转变过程令人摸不着头脑

物理学家表示,虽然玻璃中的原子在一定程度上随机排列,但它们实际上要比表面看起来更为稳定。绝大多数原子可能被它们的邻居禁锢在一定位置,对于移动的原子来说,其周围的原子也不得不发生移动。因此,玻璃流动的唯一原因就是内部大量原子的共同移动。

在玻璃从液体转变为类似固体的玻璃态的过程中,我们遇到了一种奇怪的现象——类似液体原子那种不规则的排列被神奇地固定了下来。

凯尔顿及其团队在悬浮室进行的早期实验显示,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干扰在固体中形成的更大结构,它们的存在阻止液体变成固体,让液体保持一种较为混乱的状态。但对于岛状物如何发挥作用或者所有玻璃中是否都存在这种现象,研究人员并没有达成一致意见。他们希望未来的悬浮室实验能够提供新线索。

除了玻璃到底是固体还是液体傻傻分不清外,玻璃从液体转变为类似固体的玻璃态的过程也令人摸不着头脑。美国华盛顿大学圣路易斯分校物理学家肯尼斯·凯尔顿表示:“4000年前,生活在美索不达米亚的人就开始使用玻璃,但我们至今仍不完全了解液体如何变成玻璃的过程。这是最有趣的动力学过程之一。”

美国《生活科学》报道原文

一些材料从液体变为固体时,其原子会以高度规则的模式进行排列,这种排列被称为“晶格”。也就是说,这些物质处于液体状态时,原子可以自由移动,然后在某个时刻原子会突然发现自己被困住了,于是一种有规则的晶格排列就形成了,这个过程被称为“晶化”。钢水在冷却变为固体钢的过程中,就发生了这种变化。

《自然—材料学》:科学家揭示玻璃非固体之谜

但是从炽热的液体转变为玻璃的过程中,不断运动的玻璃原子并没有突然被困住,而是随着温度的下降速度逐渐放缓,最终这些原子仍呈现类似液体的那种不规则排列。换句话说,在玻璃身上我们遇到了一种奇怪的现象——类似液体原子那种不规则的排列被神奇地固定了下来。

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汪卫华表示,虽然玻璃中的原子在一定程度上随机排列,但它们实际上要比表面看起来更为稳定。绝大多数原子可能被它们的“邻居”禁锢在一定位置。那么玻璃中的原子是如何缓慢运动的?换句话说,玻璃是怎样流动的呢?这也是凝聚态物理和材料科学的未解之谜。目前的研究表明,如果一个原子要移动,其周围的原子也不得不发生移动。就像你要从极其拥挤的公共汽车上下来,其他乘客必须也要移动让开一样。玻璃原子的缓慢移动涉及其内部大量原子的共同移动,但它们的移动方式仍然不清楚。

关于玻璃原子如此“任性”的推测

邻近粒子形成“笼子效应”,因为笼子的囚禁和限制,玻璃粒子的无序排列状态被保存下来;岛状物阻止液体变成固体;玻璃原子构成了二十面体结构而无法形成结晶。

在玻璃形成过程中,类似液体那种不规则的排列,究竟是怎么被固定下来的?对于这个悬而未决的问题,科学家们提出了许多理论来解释。

1959年,美国芝加哥大学的科学家科恩等提出了自由体积理论。该理论认为液体中存在着许多原子排布所必需体积之外的多余体积,这些体积可以无需附加能量而重新分布,因此被称为自由体积。随着液体温度的降低,原子所拥有的自由体积逐渐降低,当自由体积降低到某个临界值以下时,玻璃即形成。但如何严格定义并对自由体积加以测量实际上做不到。

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。模态耦合理论的物理图像可以归结为“笼子效应”:液体中的每个粒子都位于由其近邻粒子所形成的笼子里,笼子的寿命随温度的降低而增加。温度接近某个临界温度时,笼子的寿命将趋于无限大。在具有高流动性能的液体中,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,即粒子除了在笼子中振动外,还将改变其所在的笼子作随机扩散运动。当温度低于临界温度时,笼子的寿命无限大,使得液态冻结成玻璃时,因为笼子的囚禁和限制,其粒子的无序排列状态被保存下来。

除了这些理论之外,科学家们在试验中也对这个问题有一些发现。美国物理学家凯尔顿及其团队进行的早期实验显示,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,让液体原子保持一种较为混乱的状态。但对于岛状物如何发挥作用或者是否所有玻璃中都存在这种现象,研究人员并没有达成一致。

英国布里斯托大学的帕特里克·罗亚尔等人在实验中,为了观察微观玻璃原子的真实运动情况,利用较大的胶体微粒模拟玻璃原子,并用高倍显微镜进行观察。结果发现,这些粒子形成的凝胶因为构成了二十面体结构而无法形成结晶。

玻璃态物质的发现和应用及其相关研究已经经历了漫长的历史并且取得了丰硕的成就,然而,有关玻璃态物质的本质和基本规律仍存在诸多问题值得人们继续深入思考。也许在不久的将来,关于玻璃如何形成、如何流动,科学家会给我们一个满意的答案。

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