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理想的玻璃可以解釋為什麽西安超白玻璃存在

2020-06-02 18:27:46

玻璃是任何像水晶一樣堅硬,但像液體一樣由無序分子構成的東西。為了理解它存在的原因,西安超白玻璃研究人員正試圖創造出完美的、仍然是假設的“理想玻璃”

2008年,米格爾·拉莫斯在報紙上讀到,在距離他居住的馬德裏幾個小時車程的地方,發現了1.1億年前產於琥珀中的原始中生代昆蟲。拉莫斯是一位專門研究玻璃的物理學家,多年來一直希望能接觸到古琥珀。他聯係了在現場工作的古生物學家,他們邀請他參觀。

“他們給我提供了對他們不利的清晰樣本,”他說。“它們沒有什麽有趣的昆蟲……但對我來說是完美的。”

拉莫斯在接下來的幾年裏斷斷續續地研究古代玻璃的測量。他希望,經過這麽長時間的老化後的樹樹脂化石,能夠接近一種被稱為理想玻璃的假想物質形式。

幾十年來,物理學家一直夢想著這個完美的非晶固體。他們對理想玻璃的渴望並不是因為它本身(盡管它有獨特的、有用的特性),而是因為它的存在會解開一個很深的謎團。這是每一扇窗戶和鏡子,每一塊塑料和硬糖,甚至每一個細胞的細胞質所構成的神秘。從技術上講,所有這些材料都是玻璃,因為玻璃是固體和剛性的,但由無序分子構成,就像液體中的分子一樣。玻璃是一種懸浮的液體,一種分子奇怪地不能流動的液體。理想的玻璃,如果它存在,會告訴男生晚上必备污网站免费為什麽。


不方便的是,理想的玻璃需要很長時間才能形成,在整個宇宙曆史中可能都沒有形成。物理學家隻能尋找間接證據,在無限的時間內,它會。馬德裏自治大學的實驗物理學家拉莫斯希望,經過1.1億年的老化,西班牙琥珀可能已經開始顯示出完美的光芒。如果是這樣的話,當普通玻璃中的分子看起來什麽都不做的時候,他就會知道它們到底在做什麽。

拉莫斯的琥珀色測量是人們對理想玻璃興趣高漲的一部分。在過去的幾年裏,新的玻璃製造方法和計算機模擬方法帶來了意想不到的進展。關於理想玻璃的性質及其與普通玻璃的聯係,出現了一些重要的線索。“這些研究為理想玻璃態存在的假設提供了新的支持,”蒙彼利埃大學的物理學家Ludovic Bertier說,他主要參與了最近的計算機模擬。

但理想玻璃的出現隻有在男生晚上必备污网站免费擱置一個證據的情況下才有意義。

“的確,”伯蒂爾說,“琥珀的工作很難合理化。”

玻璃的悖論

當你冷卻一種液體時,它會結晶或硬化成玻璃。這兩種情況中的哪一種取決於玻璃吹製工經過數千年的反複試驗所了解到的過程的實質和微妙之處。英國布裏斯托爾大學玻璃物理學家帕迪·羅亞爾說:“避免結晶是一門黑暗的藝術。

這兩種選擇大不相同。

結晶是一種戲劇性的轉變,從分子無序和自由流動的液相轉變為分子以規則的重複模式鎖定的結晶相。舉例來說,水在零攝氏度結冰,因為水分子在這個溫度下停止抖動,剛好能感受到彼此的力量,並陷入緊鎖狀態。

其他液體冷卻後更容易變成玻璃。例如,玻璃窗中的二氧化矽,開始時是一種溫度遠高於1000攝氏度的熔融液體;當它冷卻時,它的無序分子稍微收縮,擠在一起有點緊,這使得液體變得越來越粘稠。最終,這些分子完全停止運動。在這種逐漸的玻璃化轉變中,分子不重組。他們隻是停下來。

冷卻液變硬的確切原因尚不清楚。如果玻璃中的分子實在太冷而不能流動,那麽仍有可能將它們擠壓成新的排列方式。但玻璃不會壓扁;它的混雜分子確實是剛性的,盡管看起來和液體中的分子一樣。劍橋大學(University of Cambridge)的玻璃理論家卡米爾·斯卡利特(Camille Scalliet)說:“液體和玻璃具有相同的結構,但行為不同。“理解這是主要問題。”

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1948年,一位名叫沃爾特·考茲曼(Walter Kauzmann)的年輕化學家發現了所謂的熵危機(entropy crisis),這是一個玻璃般的悖論,後來的研究人員意識到理想的玻璃可以解決。

考茲曼知道,你冷卻液體的速度越慢,你就越能在液體轉變成玻璃之前將其冷卻。而成型較慢的玻璃最終會變得更致密、更穩定,因為它的分子需要更長時間的移動(而液體仍然是粘性的),並找到更緊密、更低的能量安排。測量結果表明,形成較慢的玻璃的熵(或無序度)相應減少——其分子以同樣的低能量排列的方式減少了。

推斷出這一趨勢,考茲曼意識到,如果你能把液體冷卻得足夠慢,你就可以把它一直冷卻到現在稱為考茲曼溫度的溫度,然後再完全變硬。在這個溫度下,產生的玻璃的熵將與晶體的熵一樣低。但晶體是整齊有序的結構。玻璃,按照定義是無序的,怎麽能擁有同樣的秩序呢?

普通的玻璃是不可能的,這意味著在考茲曼溫度下一定會發生一些特殊的事情。如果一種液體在達到這個溫度時達到理想的玻璃狀態,即分子最密集的隨機堆積,就可以避免危機。這種狀態會呈現出“長程無定形順序”,每個分子都能感覺到並影響彼此的位置,因此為了移動,它們必須作為一個整體移動。這種假定狀態的隱藏的長程有序性可以與晶體更明顯的有序性相媲美。威斯康星大學麥迪遜分校的化學物理學家馬克·埃迪格說:“這一發現正是人們為什麽認為應該有一個理想的玻璃的核心所在。

根據朱利安·吉布斯和埃德蒙·迪馬齊奧於1958年首次提出的這一理論,理想玻璃是物質的真實相,類似於液晶和晶體相。過渡到這一階段隻是需要太長時間,需要太慢的冷卻過程,科學家永遠看不到。紐約大學凝聚態物理學家丹尼爾斯坦因(Daniel Stein)說,理想的玻璃轉變是“蒙上了麵具”,因為液體變得“如此粘稠,以至於所有東西都被逮捕了”

斯坦因說“這有點像在黑暗中透過玻璃看。“男生晚上必备污网站免费找不到(理想的玻璃)也看不到。但從理論上講,男生污污的网站巨污免费可以試著為那裏的情況建立精確的模型。”

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意外的幫助來自實驗。人們幾千年來一直使用的玻璃製造方法,通過冷卻液體來製造理想的玻璃,從來沒有希望。在液體達到考茲曼溫度之前,你必須緩慢地冷卻它,甚至是無限緩慢地冷卻,以防止它變硬。但在2007年,威斯康星州物理學家埃迪格發明了一種新的玻璃製造方法。他說:“男生晚上必备污网站免费發現有另一種方法可以通過完全不同的途徑製造出高密度、接近理想玻璃狀態的玻璃。”。

Ediger和他的團隊發現,他們可以製造出“超穩定眼鏡”,這種眼鏡的狀態介於普通眼鏡和理想眼鏡之間。他們使用一種叫做氣相沉積的方法,把分子一個接一個地扔到一個表麵上,就像玩俄羅斯方塊遊戲一樣,讓每個分子在下一個分子落下之前,都能在形成的玻璃中沉澱到最適合自己的熔核中。由此產生的玻璃比人類曆史上所有的玻璃更致密,更穩定,熵更低。伊迪格說:“如果你用液體冷卻一百萬年,這些材料就具有你所期望的特性。”。

超穩定玻璃的另一個特性最終將揭示理想玻璃最有希望的路線圖。

兩個小組,其中一個小組由馬德裏的米格爾·拉莫斯領導,在2014年發現超穩定玻璃偏離了所有普通玻璃的普遍特征,確定了這一特性。


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