玻璃的概念科學(xué)家揭開(kāi)玻璃謎團(tuán)

美國(guó)物理學(xué)家正在制造一個(gè)中子靜電懸浮室，用于將一滴液態(tài)金屬懸浮在半空中，進(jìn)而觀察金屬液滴冷卻成玻璃過(guò)程中的原子活動(dòng)。

懸浮室將幫助科學(xué)家揭開(kāi)玻璃謎團(tuán)。

我們通常簡(jiǎn)單地認(rèn)為，玻璃就是安裝在窗戶上的東西，但實(shí)際上，玻璃也是一種物質(zhì)形態(tài)，就像氣態(tài)、液態(tài)或者固態(tài)一樣。所有液體都能變成玻璃，只是難易程度不同罷了。美國(guó)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(kāi)始使用玻璃，但我們至今仍不了解液體如何變成玻璃的過(guò)程。這是有趣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程之一。 ”

此次研究中使用的液體為金屬，例如鈦、鋯、鎳、鉑以及合金(兩種或更多種金屬的混合物)。如果能夠快速冷卻，這些液態(tài)金屬也能變成玻璃，而不是固體。關(guān)鍵的問(wèn)題是必須讓這些液態(tài)金屬處于不與容器等其他物質(zhì)接觸的狀態(tài)。使用容器更容易讓液態(tài)金屬變成固態(tài)而不是玻璃。為了進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)，液態(tài)金屬必須在真空中飄浮，不接觸其他任何東西。這也就是為什么要使用懸浮室。

懸浮室將使用電極誘導(dǎo)金屬液滴表面的電荷。在此之后，電磁場(chǎng)將負(fù)責(zé)讓液滴在一個(gè)點(diǎn)上保持懸浮狀態(tài)。另一臺(tái)機(jī)器“散變中子源”將產(chǎn)生中子束，目標(biāo)直指懸浮液滴。研究人員計(jì)劃讓中子擔(dān)任光線的 “替身”，形成一個(gè)中子顯微鏡用以研究液體。穿過(guò)液滴過(guò)程中，中子能夠與液滴中的原子發(fā)生相互作用。當(dāng)中子在液滴另一面出現(xiàn)時(shí)，它們會(huì)因液滴中的原子排列呈現(xiàn)出一種*的結(jié)構(gòu)。

凱爾頓說(shuō)：“我們希望懸浮室實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)槲覀兲峁┯嘘P(guān)液體中從未被研究的東西的信息。如果原子在液體中移動(dòng)，我們能夠通過(guò)中子穿過(guò)的方式了解這種移動(dòng)。 ”在室溫下以固態(tài)存在的金屬必須被置于高溫環(huán)境以保持液態(tài)。研究人員計(jì)劃采用激光束照射液體樣本以保持加熱狀態(tài)，而后調(diào)整激光束能量進(jìn)而調(diào)節(jié)溫度，讓液態(tài)金屬冷卻成玻璃。

固體擁有組織非常嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)，相比之下，液體中的原子排列則較為混亂，以不斷變化的不規(guī)則結(jié)構(gòu)聚集在一起。從表面上看，玻璃更像是固體，但內(nèi)部原子排列卻更接近液體。它們也會(huì)發(fā)生變化，只是速度比固體更為緩慢，這也就是為什么舊玻璃靠近底部的地方更厚。

物理學(xué)家表示，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(lái)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，對(duì)于移動(dòng)的原子來(lái)說(shuō)，其周圍的原子也不得不發(fā)生移動(dòng)。因此，玻璃流動(dòng)的原因就是內(nèi)部大量原子的共同移動(dòng)。

凱爾頓及其團(tuán)隊(duì)在懸浮室進(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干擾在固體中形成的更大結(jié)構(gòu)，它們的存在阻止液體變成固體，讓液體保持一種較為混亂的狀態(tài)。但對(duì)于島狀物如何發(fā)揮作用或者所有玻璃中是否都存在這種現(xiàn)象，研究人員并沒(méi)有達(dá)成一致意見(jiàn)。他們希望未來(lái)的懸浮室實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┬戮€索。