液体转变的未解决问题有了新的认识

玻璃是一种特殊材料，具有卓越的众所周知的特性，但也有一些现象尚未完全了解，尽管它们已经研究了一个多世纪。特别是，研究人员尚未对玻璃的形成过程进行完整的描述，即冷却液体，以及玻璃加热时向更稳定的状态(称为过冷液体)的相反转变。

最近发表在《自然物理学》上的一项研究，由巴塞罗那自治大学(UAB)物理系和纳米材料组的ICN2热特性的成员领导，为这个难题提供了新的线索。

玻璃是一种无定形固体，一种以不存在长程有序为特征的物质状态。换句话说，它不像“常规”固体那样具有晶体结构，但由于粘度非常高，它的分子也不能像在液体中那样移动。由于这种状态在能量上不稳定，玻璃中的原子或分子往往会随着时间的推移而重新排列，从而形成更稳定的构型。

这种自然发生的重新配置过程通过温度升高来促进。当玻璃被加热到其特定的转变温度时，其成分获得额外的流动性，并且材料变成过冷液体。

传统上，这种从玻璃到液体的转变被描述为一个动态过程，其中原子或分子经历协同弛豫。这意味着具有稍高迁移率的玻璃区域会导致相邻区域逐渐转变为液态并达到平衡相。根据这一理论，流动性的增加是渐进的，整个材料以一种合作且几乎均匀的方式发生松弛。但总是这样吗?

上述研究由JavierRodriguez-Viejo教授和MartaGonzalez-Silveira博士领导——分别在ICN2纳米材料组的热性能和巴塞罗那自治大学(UAB)物理系的小组组长和高级研究员——对这种现象提供了更准确的描述。研究人员通过实验证明，在特定条件下，从玻璃到过冷液体的转变可能源于局部液体区域的快速形成，其流动性远高于材料其余部分的流动性，并且膨胀迅速。

这会导致部分材料已经处于稳定液相，而其他部分仍然是玻璃状的，而协同弛豫不会发生这种情况。为了使这两种状态在局部区域中共存，液体和玻璃部分之间的迁移率差异必须非常显着。

作者证明了这两种机制——即膨胀液体区域的形成和协同弛豫——可以在玻璃被加热时发生，这取决于过程的条件。两者中的哪一个占优势取决于玻璃的特定温度，但不取决于用于形成原始玻璃的程序或其初始稳定性。

这项研究的合著者是AnaVila-Costa、CristianRodríguez-Tinoco博士和MartaRodríguez-López是通过使用先进的实验室技术(例如纳米量热法)实现的，该技术允许在纳米尺度上观察玻璃动力学并执行在传统方法无法实现的温度范围和时间范围内进行测量。这些结果为描述复杂的玻璃-液体转变过程增添了新的重要内容，为新理论和深入研究开辟了道路。

对玻璃物理特性的更深入了解将使其特性能够被用于新的或改进的应用。特别是，这种奇异的转变机制是气相沉积超稳定玻璃(包括有机玻璃)非常高稳定性的原因，因此可能对有机设备的耐用性或具有增强的耐磨机械性能的金属玻璃的生产产生积极影响-和耐腐蚀涂层。