天盟传媒 - 一个会员自行传媒的平台，人人都是传媒者！

标题: 物理学家揭开一个谜团：玻璃为什么会存在？ [打印本页]

作者: 无与伦比 时间: 2023-5-1 02:56
标题: 物理学家揭开一个谜团：玻璃为什么会存在？

颠末1.1亿年的沉淀，琥珀被以为接近于理想的玻璃状态，在那里分子以最麋集的随机排列在一起。

几十年来，科学家们一直希望能找到，或创造出一种“理想玻璃”，一种有助于表明这种机密的非晶态固体性质的完善标本。
2008年，米格尔·拉莫斯(Miguel Ramos)在报纸上读到，在间隔他居住的马德里几个小时车程的地方发现了一块1.1亿年前的琥珀，上面有原始的中生代昆虫。作为一名专门研究玻璃的物理学家，拉莫斯多年来一直想要得到古老的琥珀。他接洽了在该所在工作的古生物学家，他们约请他前去观光。
“他们向我提供了对他们不必要的清晰样本，”他说。“琥珀里并没有什么风趣的昆虫或其东西…。但是，它们对我来说却是完善的。”。
在接下来的几年里，拉莫斯断断续续地从事古代玻璃的测量工作。他希望，颠末云云长时间的老化之后，这种树胶化石可以接近一种被称为理想玻璃的物质的假想形式。
长期以来，物理学家一直空想着这种完善的非晶态固体。他们渴望理想的玻璃，不是因为它本身（尽管它有独特、非常有用的特性），而是因为它的存在将解开一个深奥的谜。每扇窗户、每一面镜子、每一块塑料、每一块硬糖，乃至每一个细胞的细胞质，都构成了一个谜。从技术上讲，全部这些质料都是玻璃，因为玻璃是固体和刚性的，但由无序分子构成，就像液体中的分子一样。玻璃是一种悬浮的液体，一种分子希奇地不能运动的液体。理想的玻璃，假如它存在，将会告诉我们为什么。
不方便的是，理想的玻璃必要很长时间才能形成，在整个宇宙历史中可能都没有形成。物理学家只能寻找间接证据，去证明，假如给与无穷的时间，环境就会云云。拉莫斯是马德里自治大学的实行物理学家，他希望颠末1.1亿年的老化，西班牙的琥珀可能已经开始展现出完善的光芒。假如是如许，他就能知道平凡玻璃中的分子在看起来什么都不做的环境下，到底在做什么。

拉莫斯实行室里的琥珀样本。

拉莫斯对琥珀的测量，是人们对理想玻璃兴趣激增的一部分。在过去的几年里，制造玻璃和在电脑上模拟玻璃的新方法取得了意想不到的进展。在过去的几年里，新的玻璃制造方法和计算机模拟方法带来了意想不到的进展。关于理想玻璃的性质及其与平凡玻璃的接洽，出现了一些重要的线索。而这些研究为理想玻璃态存在的假设提供了新的支持。
玻璃的悖论

当你冷却一种液体时，它不是结晶就是硬化成玻璃。这两种环境中的哪一种取决于过程的实质和玄妙之处，这是玻璃吹制工颠末几千年的反复试验才学会的。对于他们而言，避免结晶是一种黑暗的艺术。
这两种环境差别很大。
结晶是一个戏剧性的转变，闯辗视无序和自由运动的液相，到分子以一种有规律的、重复的模式被锁住的结晶相。例如，水在0摄氏度时冻结成冰，因为在这个温度下，水分子克制晃动，刚好能感受到相互的力量，并陷入紧锁状态。
其他液体在冷却时更容易变成玻璃。例如，二氧化硅（窗户玻璃）开始时是远高于1000摄氏度的熔融液体；当它冷却时，其无序的分子会轻微紧缩，挤得更近，这使得液体变得越来越粘稠。终极，分子完全克制运动。在这个渐变的玻璃化转变中，分子不会重组。它们只是慢慢地停下来。

冷却液变硬的确切缘故原由尚不清楚。假如玻璃中的分子只是因为太冷而不能运动，那么，应该仍旧有可能将它们挤压成新的排列方式。但是，玻璃不会被压扁，尽管看起来和液体中的分子一样，但其紊乱的分子确实是刚性的。剑桥大学玻璃理论家卡米尔·斯卡利特（Camille Scalliet）表明道：“液体和玻璃具有相同的结构，但行为差别。关键是要理解这一点。”
1948年，一位名叫沃尔特·考兹曼（Walter Kauzmann）的年轻化学家发现了所谓的熵危机（entropy crisis），这是一个如同玻璃般的悖论。后来，研究职员意识到，理想的玻璃似乎可以解决这个似是而非的题目。
考兹曼知道，冷却液体的速率越慢，就越能在它转变成玻璃之前冷却它。而较慢形成的玻璃终极密度会更大、更稳定。因为它的分子必要更长的时间来移动（在液体仍旧粘稠的环境下），并找到更精密、能量更低的排列。测量结果表明，相对于较慢形成的玻璃，其熵或无序程度也相应降低 —— 分子以同样低能量排列的方式减少了。
根据这一趋势，考兹曼意识到，假如冷却液体的速率富足慢，那么在它完全硬化之前，就可以一直冷却到现在被称为“考兹曼温度”的温度。在那样的温度下，得到的玻璃的熵将和晶体的熵一样低。但晶体是整洁有序的结构。而玻璃，按照定义是无序的，怎么能拥有同样的秩序呢？
平凡的玻璃是做不到这一点的，这意味着在考兹曼温度下肯定会发生一些特殊的事故。假如一种液体在到达谁人温度后，到达理想的玻璃状态，即分子密度最大的随机堆积状态，那么危机就可以避免。这种状态会表现出“长程非晶有序”，即每个分子都感觉并影响其他分子的位置，因此为了移动，它们必须作为一个整体移动。这一假想状态隐蔽的长程有序可以与晶体更显着的有序性相媲美。威斯康辛大学麦迪逊分校的化学物理学家马克·埃迪格（Mark Ediger）说，“这个发现就是人们以为应该存在理想玻璃的焦点缘故原由。”
根据朱利安·吉布斯（Julian Gibbs）和埃德蒙·迪马齐奥（Edmund DiMarzio）于1958年首次提出的这一理论，理想玻璃是一种真实的物质相，雷同于液相和晶体相。转变到这个阶段必要太长的时间，必要太慢的冷却过程，所以科学家们从来没有看到过。纽约大学的凝结态物理学家丹尼尔·斯坦说，理想的玻璃态转变被“掩盖”了，因为液体变得“非常粘稠，全部东西都被阻挡住了”。
斯坦说：“这有点像在黑暗中透过玻璃看东西。我们找不到（理想的玻璃）也看不到。但从理论上讲，我们可以试着为那里的环境建立精确的模型。”
一种新型玻璃

实行带来了意想不到的资助。通过冷却液体来形成理想的玻璃从来没有任何希望，这是人类几千年来一直使用的玻璃制造方法。为了防止液体在到达考兹曼温度之前变硬，你必须非常迟钝地冷却液体，乃至可能是无穷迟钝地冷却。但在2007年，威斯康星州的物理学家埃迪格开辟了一种新的玻璃制造方法。他说：“我们想出了另一种方法来制造密度高、接近理想状态的玻璃，这是一条完全差别的门路。”
埃迪格和他的团队发现，他们可以创造出一种介于平凡和理想之间的“超稳定玻璃”。他们使用了一种叫做气相沉积的方法，将分子一个接一个地滴到表面上，就像玩俄罗斯方块游戏一样，让每个分子在下一个分子下来之前，都能紧紧地贴在正在成型的玻璃上。终极得到的玻璃比人类历史上全部的玻璃密度更大、更稳定、熵值更低。埃迪格说：“假如你提取一种液体，并在一百万年的过程中将其冷却，这些质料具有你所期望的特性。”
超稳定玻璃的另一个特性终极将展现理想玻璃最有希望的门路图。
2014年，由马德里的米格尔·拉莫斯(Miguel Ramos)领导的两个小组发现了这种特性，当时他们发现，超稳定玻璃偏离了全部平凡玻璃的普遍特性。

气相沉积玻璃的差别性质，取决于它产生的温度。梯度温度导致了样本的彩虹效应。超稳玻璃位于样品的中心。

几十年来，物理学家们已经知道，超冷玻璃具有很高的热容量，即提高其温度所需的热量。玻璃比接近绝对零度的晶体能吸取更多的热量，其热容与温度成正比。
包罗备受尊敬的诺贝尔奖得主、凝结态物理学家菲尔·安德森（Phil Anderson）在内的理论家，在上世纪70年代初提出了一种表明。他们以为，玻璃包罗许多“两能级体系”，即原子或分子的小簇，它们可以在两个可选的、同样稳定的构型之间来回滑动。加州大学伯克利分校的弗朗西斯·赫尔曼（Frances Hellman）说：“你可以想象一整串原子从一种构型转变为一种非常差别的构型，这种构型在晶体质料中是不存在的。”
虽然，原子或分子被它们的邻居束缚得太紧，不能自己做太多的转换，但在室温下，热量激活了两能级体系，为原子提供了它们移动所需的能量。随着玻璃温度的降落，这种运动逐渐减弱。但在接近绝对零度的环境下，量子效应变得非常重要：玻璃中的原子群可以通过量子力学的方式在两种差别构型之间的“隧道”，直接穿过任何停滞物，乃至可以在两个能级体系中同时占据两个能级。该隧道吸取了大量的热量，产生了玻璃特有的高热容量。
在埃迪格找到制造超稳定玻璃的方法几年后，位于伯克利的海尔曼小组和位于马德里的拉莫斯小组分别动手研究，玻璃是否会偏离接近绝对零度的普遍热容。在他们各自的实行中，他们研究了超稳定硅和超稳定吲哚美辛（一种也被用作消炎药的化学物质）的低温特性。果不其然，他们发现这两种玻璃的热容都比通常环境下的绝对零度要低得多，与晶体的热容相称。这表明，超稳定玻璃的两个能级体系之间的隧道更少。这些分子的结构特别精密，险些没有竞争对手。

拉莫斯将琥珀冷却到接近绝对零度的温度，以测试它与理想玻璃状态的接近程度。

假如超稳定玻璃的非常低热容真的来自于较少的二能级体系，那么理想的玻璃自然就对应于根本没有二能级体系的状态。哥伦比亚大学的理论家大卫·赖希曼（David Reichman）说，“不知何以，它恰到利益职位于全部原子无序的地方，它没有晶体结构，但没有任何东西在移动。”
此外，驱策这种理想的长程非晶有序状态的缘故原由是，每个分子都会影响其他全部分子的位置，这可能是导致液体硬化成我们四周常见玻璃的缘故原由。
当液体变成玻璃时，实际上是在试图转变为理想的玻璃相，这是由长程有序的基本拉力所吸引的。理想的玻璃是尽头，但当分子试图聚集在一起时，它们就会粘在一起；不停增加的粘度阻止了体系到达理想的状态。
近来，开创性的计算机模拟被用来测试这些想法。在计算机上模拟超稳定玻璃在过去是不可行的，因为模拟的分子聚集在一起必要大量的计算时间。然而，两年前的一个本领，使计算过程加速了1万亿倍。这种算法会随机挑选两个粒子，并交换它们的位置。这些摇动资助模拟的液体保持疏松，使分子可以或许稳定地形成更贴合的形状。
在一篇发表在《物理批评快报》上的论文中，合著的科学家们报告说，模拟玻璃越稳定，它的二能级体系就越少。与赫尔曼和拉莫斯的热容测量一样，计算机模拟表明，两个能级体系相互竞争的分子群构型是玻璃熵的泉源。这些可供选择的状态越少，非晶态的稳定性和长程有序性就越强，越接近理想状态。
琥珀非常

2014年，拉莫斯和他的互助者在《物理批评快报》（Physical Review Letters）上发表了他们对黄玻璃的老样品和“恢复活力”样品的比较。他们发现，这只拥有1.1亿年历史的琥珀的密度增长了约2%，与超稳定玻璃一致。这应该表明，随着时间的推移，琥珀确实已经稳定下来了，因为一小群分子一个接一个地滑入了较低能量的排列中。
但是，当马德里团队将古老的玻璃冷却到接近绝对零度，并测量其热容量时，结果却报告了一个差别的故事。陈年琥珀、新琥珀以及全部其他平凡玻璃一样有很高的热容量。它的分子似乎像往常一样在同样多的二能级体系之间隧穿。
为什么随着琥珀的稳定和密度的增加，两级体系的数量没有随着时间的推移而降落呢？观察结果与此不符。
“我真的很喜欢关于琥珀的实行，但制作琥珀玻璃的过程有点混乱，”气相沉积法的发明者埃迪格说。“它基本上是树胶，随着时间的推移，它会发生化学厘革，并随着时间的推移而凝固。”他以为西班牙琥珀中的杂质可能污染了热容测量。
研究职员筹划在琥珀以及实行室制造和模拟的玻璃上做进一步的实行，希望能发现更多两级体系的细节，并更接近假设的理想状态。莱克曼指出，大概永久不可能完全肯定地证明它的存在。大概有一天，我们会知道，至少在电脑上，怎样精确地包装粒子，使之成为我们正在寻找的理想玻璃。但我们必须等待很长时间，看它是否保持稳定。

<hr>假如朋侪们喜欢，敬请关注“知新了了”！

欢迎光临天盟传媒 - 一个会员自行传媒的平台，人人都是传媒者！ (https://tianmg.com/mp/)