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16-30黑底镜玻璃颗粒

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玻璃并不完全是固体

玻璃既不是晶态,也不是非晶态,也不是多晶态,也不是混合态。理论名称叫玻璃态。玻璃态在常温下的特点是:短程有序,即在数个或数十个原子范围内,原子有序排列,呈现晶体特征;长程无序,即再增加原子数量后,便成为一种无序的排列状态,其混乱程度类似于液体。在宏观上,玻璃又是一种固态的物质。

玻璃就是这样一种物质。造成玻璃这种结构的原因是:玻璃的粘度随温度的变化速度太快,而结晶速度又太慢。当温度下降,结晶刚刚开始的时候,粘度就已经变得非常大,原子的移动被限制住,造成了这种结果。所以,玻璃态类似于固态的液体,物质中的原子永远都是处于结晶的过程中。

因此,玻璃中的原子位置看似固定,但是原子间依然有作用力促使它具备重新排列的趋势。并不是一个稳定的状态,这和石蜡中的原子状态不同。所以,同样不是晶体,常温下,石蜡完全是固体,而玻璃却可以被看作是粘度极大的液体。

揭示玻璃非固体之谜

在实验中,为了观察微观原子的真实运动情况,研究人员利用较大的胶体微粒模拟原子,并用高倍显微镜进行观察。结果发现,这些粒子形成的凝胶因为构成了二十面体结构而无法形成结晶——这与20世纪50年代布里斯托尔大学的Charles Frank作出的预测相一致。这种结构解释了为什么玻璃是“玻璃”而不是液体或固体。

此次研究对于理解亚稳态材料来说是个重大的突破,它将使进一步开发金属玻璃等新材料成为可能。另外,如果能够通过操作使金属在冷却时形成玻璃一样的内部结构,将有可能大大减少金属缺陷。 [5]  (科学网 梅进/编译)

(《自然—材料学》(Nature Materials),doi:10.1038/nmat2219,C. Patrick Royall,Hajime Tanaka)

玻璃表面看上去是固体,实际上并不是。50多年来,科学家一直在尝试弄清玻璃的本质。英国、澳大利亚及日本的科学家联合研究发现,玻璃无法成为固体的原因在于玻璃冷却时所形成的特殊的原子结构。相关论文将在线发表于《自然—材料学》(Nature Materials)上。

主要研究人员、英国布里斯托尔大学的Paddy Royall说:“一些材料在冷却时会形成结晶,其原子会以高度规则的模式进行排列,称为“晶格”(lattice)。不过玻璃在冷却时,原子拥堵在一起,几乎随机排列,妨碍了规则晶格的形成。”


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