陈根：从非常小到非常大，发现液态玻璃的背后

文/陈根

虽然玻璃是我们日常生活中普遍使用的材料，但它同时也存在难解的科学问题。与人们可能预期的相反，玻璃的真实性质仍然是个科学谜题，对其化学和物理性质的科学研究仍在进行中。

事实上，在化学和物理学中，玻璃一词本身就是一个可变的概念：它包括我们所知的窗玻璃物质，但它也可以指一系列其他材料，这些材料的性质可以通过类似玻璃的行为来解释，例如，包括金属、塑料、蛋白质，甚至生物细胞。

虽然玻璃可能会给人留下印象，但它绝不是传统的固体。通常，当一种物质从液态转变为固态时，分子排列成一排形成晶体图案。在玻璃中，这种情况不会发生。相反，在结晶发生之前，分子被有效地冻结在原地。这种奇怪和无序的状态是不同系统玻璃的特征，科学家们仍在试图理解这种亚稳态究竟是如何形成的。

现在，来自康斯坦茨大学的科学家们已经发现了一种玻璃的新的物质状态——液体玻璃，此次发现的液态玻璃具有从前未知的结构元素，这也提出了关于玻璃及其转变性质的新见解。

值得一提的是，胶体悬浮液是含有固体颗粒的混合物或流体，其尺寸为微米（百万分之一米）或更大，比原子或分子大，因此非常适合用光学显微镜进行研究。迄今为止，大多数涉及胶体悬浮液的实验都依赖于球形胶体。然而，大多数自然和技术系统是由非球形粒子组成的。

此次研究中，研究小组利用聚合物化学方法制造出小塑料颗粒，拉伸并冷却它们，直到它们变成椭球状，然后将它们放入合适的溶剂中。由于其独特的形状，使得研究人员的粒子更具有方向性。

研究人员接着改变悬浮液中的粒子浓度，并用共焦显微镜跟踪粒子的平移和旋转运动。在一定的粒子密度下，定向运动冻结，而平移运动持续存在，导致粒子聚集形成具有相似定向的局部结构的玻璃态。研究人员称之为液态玻璃是这些团簇相互阻碍，并介导特征性长程空间相关性的结果。这些阻止了液晶的形成，这将是热力学所期望的物质的整体有序状态。

事实上，研究人员观察到的是两种相互竞争的玻璃转变——一种是规则相变，另一种是非平衡相变——相互作用。研究人员认为，从理论的高度来看，这是一个非常有趣的现象。此次实验为临界涨落和玻璃状停止之间的相互作用提供了证据，而科学界对此已经关注了相当长一段时间——几十年来，液态玻璃的预测一直是理论上的推测。

结果进一步表明，类似的动力学可能在其他玻璃形成系统中起作用，因此可能有助于阐明复杂系统和分子的行为，从非常小（生物）到非常大（宇宙学）。它还可能影响液晶器件的发展。相关研究结果已发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。