編譯 王曉濤

玻璃比其他晶體要神秘得多，也具有更加廣泛的實際用途。

在倫敦的不列顛博物館，有一個藍綠色的小水壺，其歷史最早可追溯到法老圖特摩斯三世統(tǒng)治時期的埃及。這個漂亮的不透明物體大約鹽瓶大小，當時可能用于盛裝香油。它幾乎完全由玻璃制成。然而，盡管已有3 400多年的歷史，但這個小瓶子并沒有被當作人類制造玻璃的最早例子。歷史學家認為，美索不達米亞人是最早的玻璃制造者，早在4 500年前，他們就用玻璃制作珠子以及其他簡單的裝飾品。

乍一看，玻璃似乎并不是什么很復雜的東西。它指的就是那些沒有定形且非晶體結(jié)構(gòu)的材料——換句話說，其中的原子或分子沒有長程有序的結(jié)構(gòu)。幾乎所有常見的玻璃，包括古埃及人和美索不達米亞人制造的玻璃，都只涉及三種成分：二氧化硅（沙子）；用于降低熔化溫度的堿氧化物（通常是碳酸鈉）；防止混合物溶于水的氧化鈣（石灰）。事實上，這一配方可以更簡單，因為我們現(xiàn)在知道，如果材料從液態(tài)開始非?？焖俚乩鋮s，使得原子或分子沒有機會形成有序的固態(tài)，那么它就會變成玻璃狀態(tài)。但這種簡單的描述掩蓋了更深層次的物理學知識——一個多世紀以來，其背后的原理一直是人們深入研究的主題，并且有些方面至今仍然困擾著我們。

物理學家想要回答的最大問題是，既然液體和玻璃狀態(tài)之間沒有明顯的結(jié)構(gòu)變化，那么為什么冷卻液體會形成硬玻璃。人們可能覺得玻璃會像非常黏稠的液體一樣變形。事實上，確實有一個流傳已久的說法，即舊窗戶中的玻璃會翹曲，因為玻璃會隨著時間的推移而緩慢流動。事實上，玻璃又硬又脆，并且可以在極長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。玻璃的穩(wěn)定性是其最吸引人的特性之一，我們可以在一些場合比如儲存核廢料時對其加以應用。

正如蘇聯(lián)物理學家列夫·朗道（Lev Landau）提出的“相變”的傳統(tǒng)思想，當物質(zhì)變成玻璃時，內(nèi)部的基本排列順序不會突然變化（至少沒有明顯的變化）。液體和玻璃之間的主要區(qū)別在于，液體可以有更多不同的無序配置，而玻璃一般只有一種。正在冷卻的液體在過渡到玻璃態(tài)時是如何選擇其特定狀態(tài)的？這是一個持續(xù)了70多年的問題。

事實上，作為一種無定形的固體，玻璃可以擁有如此多的不同狀態(tài)，這使其具有令人難以置信的多功能性。成分或加工方式的細微差異會導致玻璃性能的巨大差別。這解釋了玻璃的廣泛應用范圍——從相機鏡頭到炊具，從擋風玻璃到樓梯，從輻射防護到光纖電纜，等等。正如我們所知，如果沒有薄而堅固的玻璃，例如首先由美國制造商康寧制造的“大猩猩”玻璃，智能手機也是不可能出現(xiàn)的。甚至金屬也可以變成玻璃。通常，材料的光學和電子特性在其玻璃態(tài)和晶體態(tài)之間沒有太大差異。但有時這樣的差異也確實存在。某些相變材料除了對數(shù)據(jù)存儲相關(guān)的研發(fā)十分重要之外，也為化學鍵的研究提供了全新的思路。

也許最令人驚訝的關(guān)于玻璃的問題不是它是什么，而是它不可能是什么。雖然我們習慣于將玻璃視為一種堅硬透明的物質(zhì)，但從蟻群到交通擁堵，大量的其他系統(tǒng)表現(xiàn)出了“玻璃物理學”的特征。玻璃物理學幫助科學家理解這些玻璃的類似物，這反過來又可以揭示玻璃物理學本身的奧秘。

流動的傳言

透過中世紀教堂的彩色玻璃窗，你會看到扭曲的景色。長期以來，這種效應一直都令科學家和非科學家深深相信，只要有足夠的時間，玻璃會像異常黏稠的液體一樣流動。但這種傳言有道理嗎？

這個問題并不像最初看起來那么簡單。事實上，沒有人能準確地說出液體何時不再是液體，而是開始成為玻璃。傳統(tǒng)上，物理學家認為，當原子弛豫時間（原子或分子移動差不多相當于其直徑距離的時間）超過100秒時，液體就變成了玻璃。這一弛豫時間比流淌的蜂蜜長1010倍，比水長1014倍。但這個閾值的選擇是任意的：它沒有反映基礎(chǔ)物理學的明顯變化。

即便如此，100秒的弛豫時間對于所有人類的目的性活動而言都是漫長的。按照這個速度，一塊普通的鈉鈣玻璃需要極長時間才能慢慢流動并變成結(jié)晶二氧化硅——也稱為石英。因此，如果中世紀教堂的彩色玻璃發(fā)生了翹曲現(xiàn)象，這更有可能是最初的玻璃制造商（按照現(xiàn)代標準）技術(shù)不佳的結(jié)果。另一方面，也沒有人進行過歷經(jīng)千年的實驗來對此檢查。

尋找“理想”的玻璃

當液體冷卻時，它可以硬化成玻璃，也可以結(jié)晶。然而，液體轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡУ臏囟炔皇枪潭ǖ摹Ｈ绻后w可以冷卻得如此緩慢以至于不會形成晶體，那么液體最終將在較低的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡВ⒁虼烁旅?。美國化學家沃爾特·考茲曼（Walter Kauzmann）在20世紀40年代后期注意到了這一事實，并用它來預測液體“平衡”冷卻（即無限緩慢）時玻璃形成的溫度。矛盾的是，由此產(chǎn)生的“理想玻璃”將具有與晶體相同的熵，盡管它仍然會是無定形或無序的。從本質(zhì)上講，理想的玻璃狀態(tài)是分子以盡可能密集的方式隨機排列堆積在一起。

2014年，包括意大利羅馬第一大學的喬治·帕里西（Giorgio Parisi，他因“物理系統(tǒng)中無序和波動的相互作用”方面的工作獲得了2021年諾貝爾物理學獎）在內(nèi)的物理學家在無限空間維度（數(shù)學上更容易理解）中制成了形成理想玻璃的精確相圖。通常，密度可以是區(qū)分不同狀態(tài)的階次參數(shù)，但在玻璃和液體的情況下，密度大致相同。相反，研究人員不得不訴諸“重疊”函數(shù)，該函數(shù)描述了在相同溫度下不同的可能無定形構(gòu)型中分子位置的相似性。他們發(fā)現(xiàn)，當溫度低于考茲曼溫度時，系統(tǒng)容易陷入高度重疊的獨特狀態(tài)：玻璃相。

在三維中，或者任何少量的有限維度中，玻璃轉(zhuǎn)變理論還不太能算是定論。一些理論物理學家試圖用熱力學中理想玻璃的概念來描述它。其他人則認為這是一個“動態(tài)”過程，在這個過程中，當溫度逐漸降低時，越來越多的分子運動被阻止，直到整體變得很像玻璃。長期以來，這兩個陣營的支持者一直爭執(zhí)不下。然而，在過去的幾年里，法國巴黎高等物理化工學院的凝聚態(tài)理論物理學家帕蒂·羅伊爾（Paddy Royall）及其同事聲稱已經(jīng)證明了這兩種方法可以在很大程度上統(tǒng)一起來?！拔覀冊?0年前看到的很多問題現(xiàn)在已經(jīng)可以解決?！彼f。

掌控金屬

1960年，在美國加州理工學院工作的比利時凝聚態(tài)物理學家波爾·杜維茲（Pol Duwez）正在一對冷卻輥之間快速冷卻熔融金屬——這是一種稱為板片淬火的技術(shù)。他發(fā)現(xiàn)，凝固的金屬變成了玻璃狀態(tài)。從那時起，金屬玻璃就讓材料科學家著迷。部分原因是它們很難制造，還有一部分原因是它們具有不尋常的特性。

由于沒有普通晶體金屬固有的晶界，金屬玻璃不易磨損，這就是為什么美國宇航局對它們在太空機器人中用于免潤滑齒輪箱的可能進行了測試。這些玻璃還可以抵抗動能的吸收——例如，由該材料制成的球會反彈很長時間。金屬玻璃還具有出色的軟磁性能，從而可以用于高效變壓器，并且可以像塑料一樣制造成復雜的形狀。

許多金屬會以驚人的快速冷卻速度（每秒數(shù)十億度或更高）變成玻璃狀態(tài)（如果有的話）。出于這個原因，研究人員通常利用反復試驗尋找更容易轉(zhuǎn)變的合金。然而，在過去幾年中，美國圣路易斯華盛頓大學的肯·凱爾頓（Ken Kelton）及其同事提出，可以通過測量液態(tài)金屬的剪切黏度和熱膨脹來預測可能的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。凱爾頓和他的團隊在國際空間站上進行了一項研究項目，研究金屬變成玻璃時的溫度。他們發(fā)現(xiàn)過渡過程在金屬仍然是液體時就開始了。通過測量液體的黏度，研究人員現(xiàn)在可以確定玻璃是否會形成，以及它的一些特性是什么。如果預測是準確且方便的，那么商業(yè)設(shè)備中的金屬玻璃也會變得司空見慣。事實上，美國蘋果公司長期以來一直持有在智能手機外殼上使用金屬玻璃的專利，但從未將其付諸實踐——也許是因為很難找到經(jīng)濟上可行的金屬玻璃。

獲得更好玻璃的兩條途徑

要改變玻璃的特性，我們有兩個基本選擇：改變成分或改變處理方式。例如，使用硼硅酸鹽而不是普通的蘇打水和石灰使玻璃在加熱時不易產(chǎn)生應力。這就是為什么硼硅酸鹽玻璃經(jīng)常被用來代替烤盤的純鈉鈣。為了使玻璃更加堅固，其外表面可以通過“回火”過程更快冷卻，就像康寧最初的Pyrex耐高溫玻璃一樣。

康寧的另一項創(chuàng)新是用于智能手機的大猩猩玻璃，它具有更復雜的成分和加工配方，以實現(xiàn)其強大的耐刮擦性能。它是一種堿鋁硅酸鹽材料，通過特殊的快速淬火“熔融拉伸”工藝生產(chǎn)，然后浸入熔鹽溶液中進行額外的化學強化。

通常，玻璃的密度越大，就越堅固。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，物理氣相沉積可以產(chǎn)生非常致密的玻璃，其中汽化材料在真空中通過冷凝在表面上產(chǎn)生。這個過程允許分子每次找到一個最有效的包裝，就像俄羅斯方塊游戲一樣。

相變材料的未來

玻璃和晶體的機械性能可能不同，但通常它們的光學和電子性能非常相似。例如，對于未經(jīng)訓練的眼睛來說，普通的二氧化硅玻璃看起來幾乎與石英相同。石英就是它的晶體對應物。但是一些材料——特別是硫族化合物，其中包括元素周期表中氧基團的元素——具有光學和電子特性，其玻璃狀態(tài)和晶體狀態(tài)明顯不同。如果這些材料也恰好是“壞”的玻璃成型劑（即在適度加熱時結(jié)晶），那么它們就可以作為所謂的相變材料。

我們大多數(shù)人都在某個時刻處理過相變材料：比如可擦寫DVD和其他光盤的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。將其插入合適的驅(qū)動器，激光器可以在玻璃態(tài)和晶體態(tài)之間切換光盤上的任何位置，以代表二進制的零或一。今天，光盤已經(jīng)在很大程度上被電子“閃存”存儲器取代。電子“閃存”存儲器具有更大的存儲密度并且不必移動部件。硫族化合物玻璃有時也用于光子集成電路。相變材料如今依然可以在數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域中獲得應用。美國科技公司英特爾及其“傲騰”品牌的存儲器可實現(xiàn)快速訪問和非易失性（關(guān)閉電源時不會擦除）。但是，這依然是一個小眾市場。

德國亞琛工業(yè)大學的固態(tài)理論學家馬蒂亞斯·沃蒂格（Matthias Wuttig）說，更有價值的問題是，相變的特性來自哪里。四年前，他和其他人提出了一種新型化學鍵，即“元價”鍵，以解釋其起源。根據(jù)沃蒂格的說法，元價鍵提供了一些電子離域，如金屬鍵合，但增加了電子共享特性，如共價鍵，從而使其具有獨特的性質(zhì)，包括相變特性。并不是該領(lǐng)域的每個人都想在教科書中添加一種新的化學鍵類型，但沃蒂格認為自己的想法是可以驗證的?！艾F(xiàn)在的問題是元價鍵是否可被證實，”他說，“我們確信它是存在的?！?/p>

玻璃總在你最意想不到的地方出現(xiàn)

音樂節(jié)的粉絲會見識到這種現(xiàn)象：你正慢慢地試圖和成千上萬的人一起離開一場表演，突然間人群停了下來，你再也動不了了。就像冷卻熔融二氧化硅中的分子一樣，你的運動突然被阻止了——你和其他的觀眾變成了玻璃，或者說是玻璃類似物。

其他的玻璃類似物包括蟻群、困在載玻片之間的生物細胞和膠體，如剃須泡沫。特別是膠體，其顆粒大小可達微米量級，它是測試玻璃化轉(zhuǎn)變理論的良好系統(tǒng)，因為其動力學結(jié)果實際上可以通過顯微鏡看到。然而，更令人驚訝的是某些計算機算法中出現(xiàn)了類似玻璃的行為。例如，如果一種算法被設(shè)計為尋求具有大量變量問題的解決方案，那么它可能會因其復雜性而崩潰，并在找到最佳解決方案之前就停止。然而，通過借用為玻璃研究而設(shè)計的統(tǒng)計方法，我們可以改進這些算法，并找到更好的方案。

資料來源 Physics World