玻谲璃奇的物理学:十亿年尺度上的液体
低调的生菜
2024年05月15日 15:28:40
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      关于玻璃,流传着这样一种说法: 如果你去一座有数百年历史的教堂,观察那儿的玻璃窗,你会发现窗户底部的玻璃比顶部的更厚一些,原因是玻璃本质上是液体,只不过流动得太过缓慢而已。          



     

关于玻璃,流传着这样一种说法: 如果你去一座有数百年历史的教堂,观察那儿的玻璃窗,你会发现窗户底部的玻璃比顶部的更厚一些,原因是玻璃本质上是液体,只不过流动得太过缓慢而已。          

这个说法虚实结合、成分复杂。          

一方面,有些玻璃窗的确是底部比顶部更厚,但那是由制造工艺导致的。中世纪的窗户通常采用“皇冠工艺”制作:玻璃先被吹成空心球体,接着压平,然后旋转成扁平圆盘,最后圆盘被切割用作玻璃窗。由于圆盘中心较厚,边缘较薄,故切割得到的窗玻璃会有顶底厚度不均的情况。

另一方面,从某种意义上说,玻璃的确在“流动”,的确具备一些类似液体的特性,但几百年光景不足以使窗玻璃发生形变。2017年,科学家发表论文指出,教堂的窗玻璃能在10亿年时间里流动1纳米。 (一张纸的厚度约为100000纳米。)


     


剑桥大学理论物理学家卡米尔·斯卡利特 (Camille Scalliet) 说道:“玻璃违背了我们对液体、固体和气体的简单分类。科学家要解决的问题不是‘玻璃为什么会流动’,而是‘它为什么会是固体’。”    

世界各地的学者都在探索玻璃的秘密,尝试给这种最常见材料下一个更完美定义。对玻璃的深刻理解可以告诉我们,它在数十亿年里如何变化,最终形态如何,也可以帮我们判断,玻璃的某些形态能否被视为一种新的物质状态。

更吸引人之处在于, 当我们足够了解玻璃,就能开始创造尚不存在的材料——更坚固、更柔韧、拥有神奇特性的玻璃    


停住的“舞厅”


从微观层面看,所有物质都由原子或分子组成。温度会改变微观粒子的排列方式,低温使它们趋于凝固,高温让它们更活泛。

液体中的分子非常无序,它们快速、无规则地游走,排列随机,就好像舞厅里的众人,充满活力地相互移动、碰撞、摩擦,每一时刻的相对位置都不一样。

固体的状态全然不同。通常我们将晶体视作标准的固体,而晶体的分子/原子呈结构化、有规则的排列,就像音乐会上的观众,每个人都坐在固定席位上,不会相对移动,只会在座上做些振动。当温度冷却时,原子和分子以规则的几何图案排列。只有温度达到熔点,座位的限定才被解除,固态转变为液态。

玻璃不是液体,也绝非晶体,虽然名义上算固体,但实质上兼具固体和液体的特性。

关于玻璃如何形成的最简单解释是,它本是一种液体,因冷却得太快,无法形成晶体,故分子被锁定在混乱的液体状排列之中。哈佛大学物理学家大卫·韦茨 (David Weitz) 这样解释道:

这就好比,舞厅里的众人原本都充满动能,可是由于某种原因,一部分人决定停止移动,那么此时你要想在拥挤且停滞的人群中移动是非常困难的。于是你停住不动了,你身边的甲和乙因为你不动,也就放弃了动的念头,甲乙身边的丙丁、戊己、庚辛都停下了……整个舞厅的人都停了下来。每个人被锁定在原地,但并不以有规则的方式排列,而是一团乱麻。这便是玻璃的状态,移动1纳米需要10亿年的玻璃的状态。


通俗地说,玻璃本质上就是被定住的液体;用科学术语表达,就是“无定形固体” (amorphous solid)    

很多材料都是无定形固体,表现得像玻璃。塑料是无定形固体,琥珀之类的天然材料亦然,细胞的某些部分也被认为类似玻璃,甚至根据韦茨说法,生奶油这样的泡沫也可以被描述为玻璃状材料。

韦茨表示:“找出各种‘玻璃’的通用机制,是真正的挑战,也是这门科学的美妙之处。”    


完美的无序


如果你在某一瞬间拍下玻璃和液体的分子结构,二者看起来没区别,但一个是流动的,另一个是定住的,为什么呢?

斯卡利特表示:“目前有不同理论可解释为什么玻璃不会流动,但没有一个得到普遍认同。”

各种理论解释都牵涉热力学知识及其相关的大量数学公式。科学家正寻找更深层次的秩序,能够解释玻璃为什么具备硬质特性 (而不是像塑料或橡胶那样的无定形固体) 的本质原理。正如我们可以将食盐的硬质特性归因于它的晶体结构,我们肯定也可以把玻璃的特色归因于某个尚未明确的机制。    

韦茨表示:“许多玻璃理论都试图理解分子的集体行动,理解它如何聚集在一起、相互影响。玻璃的系统内有大量原子和分子,它太复杂了,难以拆解分析。”

用斯卡利特的话说,对于结晶固体,你只需查看其简单的晶体结构,知道分子/原子的排列方式,就可预测其各种特性,例如如何吸收热量,又例如哪里最容易断裂,但玻璃有无限种分子排列方式,不存在通用的底层结构,因此我们无法预测玻璃的特性。

想了解它的断裂过程,就要亲手打碎它;想知道它的吸热能力,就要给它加加热;想制造某款新型玻璃,必须先反复试验。缺少完整的理论,也让科学家难以定义玻璃的本质。


     

     

     

     

斯卡利特表示,液体和玻璃之间没有明确界限。假如人类对时间流逝的感知是以十亿年为单位的,那么我们眼中的玻璃就可以算液体,因为我们能观察到它微弱的流动。有一种可能是,经过足够长的时间,玻璃最终会结晶成标准的晶体。从这个角度来看,玻璃是正在逐渐转变成晶体的液体。


   

   

   

   


威斯康星大学麦迪逊分校化学教授马克·埃迪格 (Mark Ediger) 指出了另一种可能性:玻璃不会结晶,而是逐渐接近“完美无序”的状态。

怎么个完美法呢?

“假设你有许多不同尺寸和形状的盒子,想把它们全装进货车后车厢里,但空间非常有限,你有且只有一种摆放方式来让所有盒子刚好装满车厢,换其他任何一种分布方式,都无法塞进全部,那么这种分布便是‘完美的无序’。”


 

理想的玻璃


埃迪格表示,达到完美无序的玻璃会是“理想”玻璃。“它的理想之处在于,分子集合(或者说组装)到一起的方式达到了最致密的水平。若想让它们聚集得更紧密,就要变晶体结构了。 理想玻璃代表了物质的一个全新状态 。”    

当然,没人确定理想玻璃是否真存在,更遑论制造和应用了。埃迪格做了一些实验,尝试创制尽可能理想的玻璃,一次只将一个分子装到材料中。但他发现,越接近理想玻璃,装分子过程所需的时间就越长。

来自一亿多年前的琥珀碎片,现在进化到更“理想”状态了吗。有人研究过这个问题,但尚未找到答案。

关于“不够理想”的玻璃,其坚硬程度在一定程度上可通过“它接近完全无序的程度”来衡量。

如前文所述,玻璃越接近理想状态,其分子聚集的紧密程度越接近极限,重新组装的能力也就越差,重新组装所需时间越长。根据埃迪格的说法,需要很长时间来让自己“动起来”的系统是“僵硬的”(stiff),或者说,坚硬的。


深入理解玻璃本质,有助于科学家预测玻璃的特性,设计更优异的玻璃。斯卡利特说道:“如果你了解物理特性如何从特定的无序结构中产生,你就能创建新材料,例如可弯曲、不易裂的手机屏幕,又例如可长时间存储核废料的玻璃。”    



   

本文作者布莱恩·雷斯尼克 (Brian Resnick) 是 Vox的高级记者,致力于报道社会和行为科学、太空、医学、环境等方面的内容。他曾挖掘月球上人类排泄物的天体生物学影响,也曾聚焦科学机构的结构性问题。新冠大流行初期,雷斯尼克发表了多篇澄清科学事实的文章,帮助读者设定对未来几年的期望。


   


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