玻璃的概念科學家揭開玻璃謎團

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

懸浮室將幫助科學家揭開玻璃謎團。

我們通常簡單地認為，玻璃就是安裝在窗戶上的東西，但實際上，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。美國華盛頓大學圣路易斯分校物理學家肯尼斯·凱爾頓表示：“4000年前，生活在美索不達米亞的人就開始使用玻璃，但我們至今仍不了解液體如何變成玻璃的過程。這是有趣的動力學過程之一。 ”

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。關鍵的問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。為了進行這種實驗，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金屬液滴表面的電荷。在此之后，電磁場將負責讓液滴在一個點上保持懸浮狀態(tài)。另一臺機器“散變中子源”將產(chǎn)生中子束，目標直指懸浮液滴。研究人員計劃讓中子擔任光線的 “替身”，形成一個中子顯微鏡用以研究液體。穿過液滴過程中，中子能夠與液滴中的原子發(fā)生相互作用。當中子在液滴另一面出現(xiàn)時，它們會因液滴中的原子排列呈現(xiàn)出一種*的結(jié)構(gòu)。

凱爾頓說：“我們希望懸浮室實驗能夠為我們提供有關液體中從未被研究的東西的信息。如果原子在液體中移動，我們能夠通過中子穿過的方式了解這種移動。 ”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。

物理學家表示，雖然玻璃中的原子在一定程度上隨機排列，但它們實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，對于移動的原子來說，其周圍的原子也不得不發(fā)生移動。因此，玻璃流動的原因就是內(nèi)部大量原子的共同移動。

凱爾頓及其團隊在懸浮室進行的早期實驗顯示，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，研究人員并沒有達成一致意見。他們希望未來的懸浮室實驗能夠提供新線索。