我们仍然无法解释的五个玻璃之谜：从金属玻璃到意想不到的类似物

流动的神话

透过任何中世纪教堂的彩色玻璃窗，你几乎肯定会看到扭曲的景象。 长期以来，这种效应一直让科学家和非科学家都怀疑，只要有足够的时间，玻璃就会像一种特别粘稠的液体一样流动。 但这种说法有任何有效性吗？

这个问题并不像乍看起来那么简单。 事实上，没有人能准确地说出液体何时停止成为液体并开始成为玻璃。 通常，物理学家说，当原子弛豫（原子或分子移动其大部分直径的时间）超过 100 秒时，液体就变成了玻璃。 这个松弛率大约是 10¹⁰ 比流蜂蜜慢 10 倍¹⁴ 比在水中慢几倍。 但是这个阈值的选择是任意的：它反映了基础物理学没有明显的变化。

即便如此，100 秒的放松对于所有人类目的来说都是确定的。按照这个速度，一块普通的钠钙玻璃需要亿万年的时间才能缓慢流动，变成能量更有利的晶体二氧化硅——也称为石英。因此，如果中世纪教堂的彩色玻璃变形，则更可能是由于原始玻璃制造商（按照现代标准）技术不佳造成的。另一方面，没有人进行过一千年的实验来验证。

寻找“理想”的玻璃

当液体冷却时，它可以硬化成玻璃，也可以结晶。 然而，液体转变为玻璃的温度不是固定的。 如果液体可以如此缓慢地冷却以至于它不会形成晶体，那么液体最终将在较低温度下转变为玻璃，并因此形成更致密的玻璃。 这 美国化学家沃尔特考兹曼 在 1940 年代后期注意到了这一事实，并用它来预测如果液体在“平衡”状态（即无限缓慢）冷却时形成玻璃的温度。 矛盾的是，由此产生的“理想玻璃”将具有与晶体相同的熵，尽管仍然是无定形的或无序的。 从本质上讲，理想的玻璃是分子以最密集的随机排列排列在一起的地方。

2014年物理学家包括 意大利罗马第一大学的乔治·帕里西（Giorgio Parisi）（他分享了 2021 年诺贝尔物理学奖，以表彰他在“物理系统中无序和波动的相互作用”方面的工作) 在无限空间维度的（数学上更容易的）极限中，为理想玻璃的形成制定了精确的相图。 通常，密度可以作为区分不同状态的有序参数，但在玻璃和液体的情况下，密度大致相同。 相反，研究人员不得不求助于“重叠”函数，该函数描述了在相同温度下不同可能无定形构型的分子位置的相似性。 他们发现，当温度低于考兹曼温度时，系统很容易陷入具有高度重叠的独特状态：玻璃相。

在三维，或者实际上任何小的有限维数中，玻璃化转变的理论不太确定。 一些理论家试图用热力学来描述它，再次使用理想的玻璃概念。 其他人认为这是一个“动态”过程，在这个过程中，在逐渐降低的温度下，越来越多的分子袋被阻止，直到整个体积变得更加玻璃化。 长期以来，两个阵营的支持者一直不和。 然而，在过去的几年里，凝聚态理论家 帕迪罗亚尔 在法国 ESPCI Paris 和同事声称已经展示了这两种方法如何在很大程度上得到协调（J.化学 物理 153 090901）。 “我们在 20 年前看到的许多 [对协议的] 阻力已经消失，”他说。

两条通往更好玻璃的途径

要改变玻璃的特性，您有两个基本选择：改变它的成分，或改变它的加工方式。 例如，使用硼硅酸盐而不是普通的苏打和石灰可以使玻璃在加热时不易产生应力，这就是为什么硼硅酸盐玻璃经常代替纯碱石灰用于烤盘的原因。 为了使玻璃更加坚固，它的外表面可以在“回火”过程中比其体积更快地冷却，就像康宁最初的 Pyrex 一样。

康宁的另一项创新，用于智能手机的大猩猩玻璃，具有更复杂的成分和加工配方，以实现其强大的防刮性能。 它本质上是一种碱金属硅酸铝材料，它是在一种特殊的快速淬火“熔拉”工艺中在半空中生产的，然后浸入熔盐溶液中以进行额外的化学强化。

通常，玻璃越致密，它就越坚固。 近年来，研究人员发现可以通过物理气相沉积来制造非常致密的玻璃，其中蒸发的材料在真空中冷凝到表面上。 该过程允许分子一次找到最有效的包装，就像俄罗斯方块游戏一样。

掌握金属

1960年 波尔杜韦兹，在美国加利福尼亚州加州理工学院工作的比利时凝聚态物理学家在一对冷却辊之间快速冷却熔融金属（一种称为 splat quenching 的技术）时，他发现凝固的金属已经变成玻璃状。 从那时起，金属玻璃就吸引了材料科学家，部分原因是它们很难制造，部分原因是它们不寻常的特性。

由于没有普通结晶金属固有的晶界，金属玻璃不易磨损，这就是为什么美国宇航局测试它们用于无润滑剂变速箱的原因，如图所示，在其太空机器人中。 这些玻璃还能抵抗动能的吸收——例如，由这种材料制成的球会反弹很长一段时间。 金属玻璃还具有出色的软磁性能，使其对高效变压器具有吸引力，并且可以制成复杂的形状，如塑料。

许多金属只会以惊人的快速冷却速度（每秒数十亿度或更高）变成玻璃状（如果它们真的这样做的话）。 出于这个原因，研究人员通常会通过反复试验来寻找更容易转变的合金。 然而在过去的几年里， 圣路易斯华盛顿大学的 Ken Kelton， US 及其同事建议，可以通过测量液态金属的剪切粘度和热膨胀来预测可能的玻璃化转变温度（物质学报。 172 1）。 凯尔顿和他的团队跑了一个 国际空间站研究项目，研究金属实际变成玻璃态的温度，发现转变过程在金属仍然是液体时就开始了。 通过测量液体的粘性，研究人员现在可以确定玻璃是否会形成，以及它的一些特性是什么。 如果预测变得司空见惯，那么商业设备中的金属玻璃也会变得司空见惯。 事实上，美国科技公司苹果长期以来一直持有在智能手机外壳上使用金属玻璃的专利，但从未将其付诸实践——可能是因为难以找到经济上可行的金属玻璃。

相变材料的未来

玻璃和晶体的机械性能可能不同，但通常它们的光学和电子性能相当相似。 例如，对于未经训练的人来说，普通的二氧化硅玻璃看起来几乎与石英相同，它的晶体对应物。 但是一些材料——特别是硫属化物，包括元素周期表中的氧族元素——具有在玻璃态和结晶态上明显不同的光学和电子特性。 如果这些材料也恰好是“坏”玻璃形成剂（即适度加热时结晶），那么它们就可以用作所谓的相变材料。

我们中的大多数人有时会处理相变材料：它们是可重写 DVD 和其他光盘的数据存储介质。 将其中一个插入合适的驱动器，激光可以将光盘上的任何位在玻璃态和结晶态之间切换，表示二进制零或一。 今天，光盘已在很大程度上被电子“闪存”存储器所取代，后者具有更高的存储密度并且没有移动部件。 硫属化物玻璃有时也用于光子集成光学电路，如图所示。 相变材料继续在数据存储中找到应用 美国科技公司英特尔及其“傲腾” 品牌内存，访问速度快，非易失性（断电不擦除）。 但是，此应用程序仍然是利基市场。

更有利可图，固态理论家说 德国亚琛工业大学的 Matthias Wuttig，就是问相变属性是从哪里来的。 四年前，他和其他人提出了一种新型化学键，“元价”键，来解释它的起源。 根据 Wuttig 的说法，元价键合提供了一些电子离域，如金属键合，但增加了电子共享特性，如共价键合。 独特的属性，包括相变，结果（进阶 母校 30 1803777）。 并非该领域的每个人都想在教科书中添加一种新型的结合，但 Wuttig 相信证据将在布丁中。 “现在的问题是 [metavalent bonding] 是否具有预测能力，”他说。 “而且我们相信它确实如此。”

玻璃你最不期待的地方

音乐节的粉丝们会意识到这个现象：你正慢慢地试图和成千上万的其他人一起离开一场演出，突然人群停止了，你再也不能动弹了。 就像冷却熔融二氧化硅中的分子一样，你的运动突然停止——你和你的节日观众已经变成了一个玻璃杯。 或者至少是玻璃类似物。

其他玻璃类似物包括蚁群、夹在载玻片之间的生物细胞和胶体，如剃须泡沫（见上图）。 特别是胶体，其颗粒大小可达微米，是测试玻璃化转变理论的便捷系统，因为它们的动力学实际上可以通过显微镜看到。 然而，更令人惊讶的是某些计算机算法中玻璃行为的开始。 例如，如果一种算法旨在为具有大量变量的问题寻找逐步更好的解决方案，那么它可能会被复杂性所淹没，并在找到最佳解决方案之前陷入停顿。 然而，通过借用为眼镜基础研究设计的统计方法，可以改进此类算法，并找到更好的解决方案。