玻璃是固體還是液體呢?大家看到標(biāo)題的時(shí)候可能會(huì)肯定的說當(dāng)然是固體了,但其實(shí)嚴(yán)格來說玻璃并不算固體,它是一種流速相當(dāng)緩慢的半固體半流體的狀態(tài)。
西方許多老舊的用了一個(gè)多世紀(jì)的老教堂的窗玻璃都是上薄下厚,也就是說當(dāng)一塊平玻璃垂直豎放一百年的時(shí)間,它會(huì)變得上面較薄、下方變厚,呈現(xiàn)出液態(tài)的性質(zhì),這和肥皂膜由于重力而致上薄下厚的情況很相似。其實(shí)許多科普書和電視科普宣傳片里都講過這個(gè)科普知識(shí),不是什么新鮮事了。
玻璃并不完全是固體
玻璃既不是晶態(tài),也不是非晶態(tài),也不是多晶態(tài),也不是混合態(tài)。理論名稱叫玻璃態(tài)。玻璃態(tài)在常溫下的特點(diǎn)是:短程有序,即在數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)原子范圍內(nèi),原子有序排列,呈現(xiàn)晶體特征。長程無序,即再增加原子數(shù)量后,便成為一種無序的排列狀態(tài),其混亂程度類似于液體。在宏觀上,玻璃又是一種固態(tài)的物質(zhì)。玻璃就是這樣一種物質(zhì)。造成玻璃這種結(jié)構(gòu)的原因是:玻璃的粘度隨溫度的變化速度太快,而結(jié)晶速度又太慢。當(dāng)溫度下降,結(jié)晶剛剛開始的時(shí)候,粘度就已經(jīng)變得非常大,原子的移動(dòng)被限制住,造成了這種結(jié)果。所以,玻璃態(tài)類似于固態(tài)的液體,物質(zhì)中的原子永遠(yuǎn)都是處于結(jié)晶的過程中。
因此,玻璃中的原子位置看似固定,但是原子間依然有作用力促使它具備重新排列的趨勢(shì)。并不是一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),這和石蠟中的原子狀態(tài)不同。所以,同樣不是晶體,常溫下,石蠟完全是固體,而玻璃卻可以被看作是粘度大的液體。
揭示玻璃非固體之謎
研究人員在實(shí)驗(yàn)中,為了觀察微觀原子的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況,利用較大的膠體微粒模擬原子,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)成了二十面體結(jié)構(gòu)而無法形成結(jié)晶——這與20世紀(jì)50年代布里斯托爾大學(xué)的Charles Frank作出的預(yù)測(cè)相一致。這種結(jié)構(gòu)解釋了為什么玻璃是“玻璃”而不是液體或固體。
此次研究對(duì)于理解亞穩(wěn)態(tài)材料來說是個(gè)重大的突破,它將使進(jìn)一步開發(fā)金屬玻璃等新材料成為可能。另外,如果能夠通過操作使金屬在冷卻時(shí)形成玻璃一樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu),將有可能大大減少金屬缺陷。
一些材料在冷卻時(shí)會(huì)形成結(jié)晶,其原子會(huì)以高度規(guī)則的模式進(jìn)行排列,稱為“晶格”。不過玻璃在冷卻時(shí),原子擁堵在一起,幾乎隨機(jī)排列,妨礙了規(guī)則晶格的形成。
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