製作玻璃：液體到玻璃的過渡過程變得清晰

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】數千年來，人們使用熔融的沙子和其他成分來製造玻璃和時尚的珠子、容器、透鏡和窗戶。這些天，金屬玻璃——完全由金屬原子構成——正在被開發用於生物醫學應用，如超鋒利的外科針、支架、人工關節或植入物，因為這些合金可以超硬、特彆強、非常光滑、耐腐蝕。雖然試驗和錯誤的結合和科學研究有助於改進玻璃製造過程，但在原子水平上控制金屬玻璃的創造仍然是一種不精確的努力，這在很大程度上是由長期的經驗和直覺所決定的。Paul Voyles說：我們的工作是通過添加更多的數據來建立基本的理解。Beckwith-Bascom教授在威斯康星-麥迪遜大學的材料科學與工程，Voyles和合作者在麥迪遜和耶魯大學取得了重要的實驗進展的了解，不斷移動的時間和地點在熔融金屬原子「鎖」在材料轉換從液體到固體玻璃。

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他們在《自然通訊》(Nature Communications)雜誌上描述了他們觀察到的這些原子如何在不同溫度下重新排列(2018年3月19日)。這是一種知識，它可以為一些相互競爭的理論提供急需的實驗清晰性，即所謂的玻璃轉換過程。它還可以幫助減少與開發新金屬玻璃材料相關的時間和成本，並為製造商提供更深入的工藝設計洞察。一個處理的挑戰是，當金屬從熔融的液體轉變為固體時，它們傾向於形成有序的、經常重複的原子結構，稱為晶體。相比之下，玻璃材料具有高度無序的原子結構。雖然製造高性能金屬玻璃聽起來很簡單，就像防止金屬原子在物質冷卻時形成晶體一樣，但實際上，它在某種程度上依賴於抽獎的運氣的過程，使玻璃的過程使水晶互相競爭和一個獲勝——發生的速度決定了最終產品。

在液體中，所有的原子在任何時候都在相互移動。當熔化的金屬冷卻，並開始向固體轉變時，它的原子會減慢並最終停止運動。這是一個複雜的原子級舞蹈，科學家們還在研究。利用他們在電子顯微鏡和數據分析方面的專業知識，Voyles和他的合作者們測量了一個原子在熔化的液體中隨環境波動而獲得或失去鄰近原子的平均時間。原子被一堆其他原子包圍著，在真正的高溫下，它們會反彈，每一秒(1萬億分之一秒)，就會有一組新的鄰居。」隨著溫度的降低，他們會和鄰居呆得越來越久，直到永遠粘在一起。在高溫下，原子都運動得很快。然後當液體冷卻時，它們移動得更慢;一個簡單的描述可能是所有的原子以相同的速度在一起慢下來，直到它們停止運動，材料變成了一個固體玻璃。我們現在已經通過實驗證明，這不是發生的事情。

相反，研究小組的實驗證實，原子鎖定位置的時間變化很大——至少是一個數量級——從一個地方到另一個地方。一些納米級的區域首先會變得『粘稠』，並且會在很長一段時間內保持住它們的鄰居，而在粘稠的部分之間移動的速度要快得多。它們的波動速度是慢速的10倍，然後一切都變慢了，但粘性部件也會變大，直到粘性部件『贏』，材料變成固體。現在他和他的合作者正在研究如何在緩慢和快速的部分之間進行原子排列。這是拼圖的下一個重大缺憾。這一進展提供了有關基本過程的寶貴信息，從玻璃到塑料瓶，再到藥物製劑，以及許多其他的玻璃材料，從液體到固體的轉變。這是真正的基礎科學，但對應用程序的最終潛在影響是，如果我們真正理解這是如何在原子層面上運行的，那就給了我們建立控制的機會，讓我們能從我們想要的東西中製造出眼鏡，而不是在我們幸運的時候戴上眼鏡。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Communications

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：威斯康星大學麥迪遜分校

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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