水玻璃的密度是多少(水玻璃性质与用途)[通俗易懂]

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来源|中国科学院理论物理研究所和金，编译自Jon Cartwright。物理世界，2022，(6): 24，选自《物理》2022年第7期。

在伦敦的大英博物馆里，有一个蓝绿色的小瓶子，它起源于法老图特摩斯三世统治时期的埃及。这个不透明的小瓶几乎完全由玻璃制成。然而，虽然它已有3400多年的历史，但它并不是人类制造的最早的玻璃。历史学家认为，早在4500年前，美索不达米亚文明就已经掌握了制造玻璃的技术。

乍一看，玻璃似乎并不复杂。玻璃具有无定形(无序)结构，即原子或分子之间没有长过程。普通玻璃一般包含三种成分:构成基本结构的二氧化硅(砂)，用于降低熔化温度的碱金属氧化物(通常是苏打)，用于降低水溶性的氧化钙(石灰)。其实公式可以更简单。我们现在知道，几乎任何物质都可以变成玻璃状。只要冷却得足够快，液体中的原子或分子在形成有序的固体结构之前就会被“冷冻”，从而形成玻璃态。然而，这种简单的描述掩盖了表面下的深层物理——一些与玻璃相关的问题已经困扰了物理学家一个多世纪。

流动性之谜

走过中世纪的教堂，穿过彩色玻璃窗，你会发现窗外的景象是扭曲的。这种现象让人怀疑，只要时间足够长，玻璃就会像非常粘稠的液体一样流动。然而，这个猜测能被证实吗？

这个问题没有看起来那么简单。事实上，没有人能准确区分液体和玻璃。物理学家普遍认为，当原子的弛豫时间(原子移动到接近其直径所需的时间)超过100 s时，液体就变成了玻璃。玻璃的弛豫速率比蜂蜜慢1010倍，比水慢1014倍。但这个判据的选择是任意的，却没有反映出液体和玻璃在物理上的本质区别。

即便如此，100 s的放松时间对人类来说是永恒的。按照这个速度，一块普通的玻璃需要几千年的时间才能慢慢流动，转变成更稳定的晶体(即应时)。因此，如果中世纪教堂的彩色玻璃被扭曲，更有可能是由于当时玻璃制作者的技术太差(按照现代标准)。另一方面，显然没有人做过几千年的实验来检验这些推测。

寻找“理想”的玻璃

根据物理学家利奥·朗道的“相变”观点，当物质状态发生变化时，内部的“秩序”会突然发生变化。然而，当液体变成玻璃时，顺序似乎没有明显的变化。两者的区别在于，液体可以穿越不同的无序结构，而玻璃则卡在一个或几个无序结构中。在玻璃形成的过程中，为什么要选择特定的状态？

当液体冷却时，它要么形成玻璃，要么结晶。然而，液体变成玻璃的温度并不固定。在避免晶化的前提下，随着冷却速度的减慢，液态玻璃转变温度会降低，形成更高密度的玻璃。20世纪40年代末，美国化学家沃尔特·考兹曼注意到了这一现象，并预言了液体在“平衡”冷却(无限缓慢冷却)下的玻璃化转变温度。由此产生的“理想玻璃”似乎是一个悖论:虽然它是无序的，但它与晶体具有相同的熵。从本质上来说，理想的玻璃是由以最紧密和随机的方式排列的分子组成的(图1)。

图1艺术家想象中的理想玻璃状态(图片来自布里斯托尔大学)

2014年，乔治·帕里西(2021年诺贝尔物理学奖得主)等物理学家通过严格的理论获得了无限维极限下的理想玻璃相图。通常情况下，密度可以作为区分不同状态的序参量，但对于玻璃和液体来说，二者差别不大。因此，物理学家不得不求助于另一个序参量，即所谓的“重叠”函数。这个函数描述了在相同温度下可能存在的不同无序构型中分子位置的相似性。他们发现，当温度低于考兹曼温度时，系统会进入高度重叠的状态，即(理想)玻璃态。

如何制作更好的玻璃？

作为无定形固体，玻璃可以处于许多不同的状态，这导致玻璃材料的设计具有很大的灵活性。无论在成分上，还是在加工方法上，细微的变化都可能导致玻璃性能的巨大差异。

要改变玻璃的性能，有两个基本途径:改变玻璃的成分或改变其制造方法。前者的例子包括用硼硅酸盐代替普通玻璃中的苏打和石灰，这样做出来的玻璃受热时应力不会太集中(导致裂纹)，可以用来制作烘焙用具。后一个例子是利用“钢化”处理中玻璃表面比内部冷却更快的原理来制备更坚固的玻璃。康宁最初的Pyrex耐热玻璃就是基于这个原理制成的。

康宁的另一项创新是智能手机使用的大猩猩玻璃。这种玻璃坚固耐刮，但成分和加工方法比较复杂。本质上是一种碱-硅铝酸盐材料，通过特殊的快淬“熔拉”工艺在悬浮空板上产生，然后浸入熔盐溶液中进一步化学强化。

一般来说，玻璃越致密，强度越大。近年来，研究人员发现可以通过物理气相沉积(将蒸发的物质在基底上真实地空)来制造非常致密的玻璃。这个过程让分子在每次凝聚的时候都能找到最有效的积累方式——类似于俄罗斯方块。

征服金属玻璃

1960年，比利时物理学家Pol Duwez(当时在加州理工学院工作)发现，凝固的金属在一对冷却辊之间快速冷却后变成玻璃态(称为splat淬火)。此后，金属玻璃引起了材料科学家的注意:一方面，它们极难制备，另一方面，它们具有非凡的特性。

由于没有像常见的结晶金属那样的固有晶界，金属玻璃不易磨损。利用这一特性，美国宇航局用金属玻璃制造了不含润滑剂的齿轮部件(图2)，并测试了它们在航空航天机械设备中的使用。金属的机械动能耗散很低——比如金属玻璃做的球，可以保持很长时间的弹跳。金属还具有优异的软磁性能，因此可用于高效变压器。此外，它可以像塑料一样制成各种非常复杂的形状。

图2金属玻璃制成的齿轮(图片来自NASA)

许多金属只能以非常快的冷却速度(每秒几亿度或更高)变成玻璃态。研究人员通常通过反复试验来寻找更容易转变成玻璃的合金。如果我们能够预测玻璃转变温度和形成的金属玻璃的特性，将有可能开发出具有商业价值的金属玻璃。事实上，美国苹果公司拥有金属玻璃手机壳的专利由来已久，但从未在实际产品中使用过——可能只是因为没有找到一种经济成本足够低的金属玻璃。

相变材料的未来

虽然玻璃和晶体材料的机械性能可能非常不同，但它们的光学和电学性能通常是接近的。例如，对于未经训练的人来说，几乎不可能将普通石英玻璃与应时(石英玻璃的晶体对应物)区分开来。然而，一些材料，尤其是硫族化合物，在玻璃态和晶态下表现出明显不同的光学和电学性质。如果恰好它们的玻璃形成能力差(适度加热会结晶)，就可以作为所谓的相变材料。

其实很多人都接触过相变材料:光盘的数据存储介质就是这样的材料。当光盘插入配套的驱动器时，光盘上的任何一位都可以通过激光在玻璃态和晶态之间切换，从而代表二进制0或1。硫化物有时用于光子集成光路。此外，相变材料在数据存储方面也有新的应用，如美国英特尔公司的Optane存储器，存取速度快，断电时数据不会丢失。相变特征的来源和可预测性值得进一步探讨。

意外玻璃

参加过音乐节的人会注意到一个现象:当你试图离开一场有数千人参加的演出时，突然，整个人群都停下来，你变得无法动弹。就像二氧化硅熔体中的分子被冷却了一样，你的活动范围突然被限制了——你和其他观众一起变成了一个大“玻璃”(或者说，一种类似玻璃的状态)。

其他广义的“玻璃”包括蚁群、夹在载玻片之间的生物细胞和胶体(如剃须用泡沫)。尤其是胶体，其粒径可以达到微米级，因此其动力学可以用显微镜观察，这使得胶体成为一个方便检验玻璃化转变理论的体系。更令人惊讶的是，一些计算机算法也有玻璃化行为。比如一个问题有大量的变量，一般的算法会因为复杂而在找到最优解之前卡在一个非最优解中。在玻璃问题研究中开发的统计方法的帮助下，研究人员现在知道如何改进这种算法以找到更好的解决方案。

本文转载自微信微信官方账号“中国物理学会期刊网”，原题“神秘玻璃”。

比提希

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