清晨的陽光透過玻璃窗灑在臉上，音樂響起，手指在手機(jī)玻璃屏上輕劃關(guān)掉鬧鐘，悠悠的奶香從餐桌上的玻璃杯中溢出，喚醒新的一天生活中，人們早已對玻璃態(tài)物質(zhì)習(xí)以為常，但是你可能不知道，這些幾乎隨處可見的“玻璃”卻一直困惑著物理學(xué)家，就連一向高冷的《科學(xué)》雜志，也曾將“玻璃態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)是什么”列為125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)前沿問題之一。

是固體還是液體傻傻分不清

玻璃有形狀且堅(jiān)硬，具有固體的屬性。但奇怪的是其原子排列方式卻與液體的無序排列如出一轍。

眾所周知，固體有固定的形狀，液體沒有確定的形狀；此外，一部分固體擁有組織非常嚴(yán)密的原子結(jié)構(gòu)，原子有規(guī)則地、周期性排列，而且這種規(guī)則有序的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。相比之下，液體中的原子排列則較為混亂，它們不規(guī)則聚集在一起，原子的位置不斷變化。

而玻璃有形狀且堅(jiān)硬，具有固體的屬性。但奇怪的是其原子排列方式卻與液體的無序排列如出一轍。也就是說，從表面上看，玻璃更像是固體，但內(nèi)部原子排列卻很像液體。

有專家認(rèn)為，自然界中的固體物質(zhì)，按照其微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可大致分為兩類：一類的原子或粒子排列整齊有序，就像閱兵式的方陣，即晶態(tài)固體；另一類的原子或粒子排列混亂無序，就像大街上熙熙攘攘的人群，即非晶態(tài)固體。而玻璃就是—種典型的非晶態(tài)固體。

中國科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華院士表示：“實(shí)際上，玻璃是原子運(yùn)動得很慢的液體。液體的原子不停地在動，但玻璃里面的原子移動極其緩慢，要比一般液體中原子運(yùn)動慢20—30個量級?！睘榱苏f明一般液體中原子運(yùn)動速度與玻璃中原子運(yùn)動速度的巨大差距，汪衛(wèi)華做了一個形象的比喻：“原子在一般液體中移動的速度比火箭還要快，而在玻璃中運(yùn)動的速度比蝸牛還要慢。”

美國科學(xué)家菲利普·吉布斯在刊登于加州大學(xué)河濱分校數(shù)學(xué)系主頁上的《玻璃是固體還是液體？》一文中也指出，從分子動力學(xué)和熱力學(xué)的某些角度來說，玻璃可以看成是高黏度的液體，是無定形固體，或是既不是液體也不是固體的另一態(tài)。

形態(tài)轉(zhuǎn)變過程令人摸不著頭腦

在玻璃從液體轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃乒腆w的玻璃態(tài)的過程中，我們遇到了一種奇怪的現(xiàn)象——類似液體原子那種不規(guī)則的排列被神奇地固定了下來。

除了玻璃到底是固體還是液體傻傻分不清外，玻璃從液體轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃乒腆w的玻璃態(tài)的過程也令人摸不著頭腦。美國華盛頓大學(xué)圣路易斯分校物理學(xué)家肯尼斯·凱爾頓表示：“4000年前，生活在美索不達(dá)米亞的人就開始使用玻璃，但我們至今仍不完全了解液體如何變成玻璃的過程。這是最有趣的動力學(xué)過程之一。”

一些材料從液體變?yōu)楣腆w時，其原子會以高度規(guī)則的模式進(jìn)行排列，這種排列被稱為“晶格”。也就是說，這些物質(zhì)處于液體狀態(tài)時，原子可以自由移動，然后在某個時刻原子會突然發(fā)現(xiàn)自己被困住了，于是一種有規(guī)則的晶格排列就形成了，這個過程被稱為“晶化”。鋼水在冷卻變?yōu)楣腆w鋼的過程中，就發(fā)生了這種變化。

但是從熾熱的液體轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡУ倪^程中，不斷運(yùn)動的玻璃原子并沒有突然被困住，而是隨著溫度的下降速度逐漸放緩，最終這些原子仍呈現(xiàn)類似液體的那種不規(guī)則排列。換句話說，在玻璃身上我們遇到了一種奇怪的現(xiàn)象——類似液體原子那種不規(guī)則的排列被神奇地固定了下來。

汪衛(wèi)華表示，雖然玻璃中的原子在一定程度上隨機(jī)排列，但它們實(shí)際上要比表面看起來更為穩(wěn)定。絕大多數(shù)原子可能被它們的“鄰居”禁錮在一定位置。那么玻璃中的原子是如何緩慢運(yùn)動的？換句話說，玻璃是怎樣流動的呢？這也是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的未解之謎。目前的研究表明，如果一個原子要移動，其周圍的原子也不得不發(fā)生移動。就像你要從極其擁擠的公共汽車上下來，其他乘客必須也要移動讓開一樣。玻璃原子的緩慢移動涉及其內(nèi)部大量原子的共同移動，但它們的移動方式仍然不清楚。

關(guān)于玻璃原子如此“任性”的推測

鄰近粒子形成“籠子效應(yīng)”，因?yàn)榛\子的囚禁和限制，玻璃粒子的無序排列狀態(tài)被保存下來；島狀物阻止液體變成固體；玻璃原子構(gòu)成了20面體結(jié)構(gòu)而無法形成結(jié)晶。

在玻璃形成過程中，類似液體那種不規(guī)則的排列，究竟是怎么被固定下來的？對于這個懸而未決的問題，科學(xué)家們提出了許多理論來解釋。

1959年，美國芝加哥大學(xué)的科學(xué)家科恩等提出了自由體積理論。該理論認(rèn)為液體中存在著許多原子排布所必需體積之外的多余體積，這些體積可以無須附加能量而重新分布，因此被稱為自由體積。隨著液體溫度的降低，原子所擁有的自由體積逐漸降低，當(dāng)自由體積降低到某個臨界值以下時，玻璃即形成。但如何嚴(yán)格定義并對自由體積加以測量實(shí)際上做不到。

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的模態(tài)耦合理論被認(rèn)為是描述玻璃轉(zhuǎn)變最有用的理論。模態(tài)耦合理論的物理圖像可以歸結(jié)為“籠子效應(yīng)”：液體中的每個粒子都位于由其近鄰粒子所形成的籠子里，籠子的壽命隨溫度的降低而增加。溫度接近某個臨界溫度時，籠子的壽命將趨于無限大。在具有高流動性能的液體中，粒子除了在籠子中做常規(guī)的振動和隨機(jī)“游動”外，其所在的籠子位置也同時隨著周圍粒子的重排而改變，即粒子除了在籠子中振動外，還將改變其所在的籠子做隨機(jī)擴(kuò)散運(yùn)動。當(dāng)溫度低于臨界溫度時，籠子的壽命無限大，使得液態(tài)凍結(jié)成玻璃時，因?yàn)榛\子的囚禁和限制，其粒子的無序排列狀態(tài)被保存下來。

除了這些理論之外，科學(xué)家們在試驗(yàn)中也對這個問題有一些發(fā)現(xiàn)。美國物理學(xué)家凱爾頓及其團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的早期實(shí)驗(yàn)顯示，原子以有序結(jié)構(gòu)聚集在一起可形成島狀物。這些島狀物似乎可以阻止液體變成固體，讓液體原子保持一種較為混亂的狀態(tài)。但對于島狀物如何發(fā)揮作用或者是否所有玻璃中都存在這種現(xiàn)象，研究人員并沒有達(dá)成一致。

英國布里斯托大學(xué)的帕特里克·羅亞爾等人在實(shí)驗(yàn)中，為了觀察微觀玻璃原子的真實(shí)運(yùn)動情況，利用較大的膠體微粒模擬玻璃原子，并用高倍顯微鏡進(jìn)行觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些粒子形成的凝膠因?yàn)闃?gòu)成了20面體結(jié)構(gòu)而無法形成結(jié)晶。

玻璃態(tài)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用及其相關(guān)研究已經(jīng)經(jīng)歷了漫長的歷史并且取得了豐碩的成就，然而，有關(guān)玻璃態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)和基本規(guī)律仍存在諸多問題值得人們繼續(xù)深入思考。也許在不久的將來，關(guān)于玻璃如何形成、如何流動，科學(xué)家會給我們一個滿意的答案。