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對于玻璃你的了解有多深?

來源: 瀏覽次數:39855 發布日期:2020-01-14 手機版



玻璃看起來很簡單,你或許覺得很普通,其實它是一種非常奇怪的材料,甚至是一個難以置信的謎。


玻璃絕對是一個物理學之謎,自從人類在幾千年前第一次遇到它以來,就一直無法理解。

原因是:玻璃不是普通的固體,但它也不是液體。它介于兩者之間,是一種奇怪的混合物,一種稱為非晶態固體的物質。

非晶態固體又稱無定形體或玻璃體。其內部原子或分子的排列無周期性,如同液體那樣雜亂無章地分布,可以理解為過冷的液體。

最近,科學家的一項突破使我們比以往任何時候都更接近于了解玻璃表面下發生了什么,這要歸功于一種新的算法,這可以幫助預測玻璃對溫度的依賴性。

這個項突破能幫助我們更快、更好發現新材料,并理解玻璃整體上是如何以這種奇怪的方式存在的。

玻璃是無定形的,沒有平衡結構,所以它不斷地通過分子的緩慢運動變化。




由于在分子水平上的這些運動,玻璃從來沒有形成固體的理想狀態,在理想狀態下原子會排列成有序的、可預測的晶體結構。

理論上,如果有足夠的時間,玻璃或許有一天會到達理想狀態,但由于原子過程非常緩慢,這將需要非常長的時間,科學家們認為,這個時間會超過數百年。

另一個困難是溫度。硅基玻璃和其他非晶態玻璃材料(如聚合物),也非常容易受到溫度變化的影響,這使得實現它們的理想狀態變得更加不可能。

熱是引發所謂玻璃化轉變的因素之一,在玻璃化轉變中,受熱的非晶態固體在冷卻時從堅硬的玻璃態轉變為更像液體的粘性形態。

這是一個很酷而且是可逆的過程,但它是另一個讓不同種類玻璃的物理特性難以確定的東西。




由于玻璃的非晶態和無序特性,它的性能會隨著溫度的變化而發生很大的變化,這使得預測它的物理行為變得極其困難。

材料科學的挑戰之一是設計方法來模擬不同種類的玻璃材料在加熱時的行為。然而,由于玻璃無序和可變結構的分子復雜性,運行這類計算需要很長時間。

然而,通過一種利用粗粒度(CG)建模的新算法,研究人員表示,他們能夠將這個過程加快大約一千倍。

研究人員的能量重整算法并沒有試圖計算每個原子的位置和分子鍵,而是試圖計算原子簇,從而對影響系統的熵和焓有更廣泛的認識。

用三種不同的玻璃態聚合物(聚丁二烯、聚苯乙烯和聚碳酸酯)測試了他們的方法,結果表明,粗粒度模擬與這些材料在現實世界中的行為精確相符。

研究結果發表在《科學進展》雜志上。

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