“液态玻璃”被发现遭科学证实 20年来第一次(图)
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。
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液态玻璃的发现为古老的玻璃过渡科学问题提供了启示。来自康斯坦斯大学（德国）的一个跨学科研究人员小组发现了一种新的物质状态-具有以前未知的结构元素的液体玻璃。
尽管长期以来，玻璃一直是我们每天使用的真正无处不在的材料，但它也带来了严重的科学难题。与预期相反，玻璃的真实性质仍然是个谜，而对其化学和物理性质的科学研究仍在进行中。在化学和物理学中，“玻璃”一词本身就是一个流体概念：它包含一种我们称为窗玻璃的物质，但它也可以指代许多其他可以通过参考玻璃的行为来解释其特性的材料，包括例如，金属，塑料，蛋白质甚至生物细胞。
虽然这听起来可能令人印象深刻，但玻璃绝不是固体。通常，当材料从液体变为固体时，分子排成一行，形成一个晶体图案。在玻璃中不会发生这种情况。相反，实际上在结晶发生之前将分子冻结在适当的位置。这种奇怪而混乱的状态仍然是科学家研究的主题。
康斯坦斯大学的Andreas Zumbusch教授和Mathias Fuchs教授领导的研究为玻璃拼图增添了另一层难度。研究人员使用一种模型系统，其中包括特制的椭球形胶体的悬浮液，研究人员发现了一种新的物质状态-液体玻璃，其中单个粒子可以移动但不能旋转-这是以前在大块玻璃中观察不到的复杂行为。他们的工作结果发表在《美国国家科学院院刊》上。
胶体悬浮液是包含大于1微米（百万分之一米）的固体的混合物或液体，其大于原子或分子，因此非常适合光学显微镜。它们在玻璃化科学家中很受欢迎，因为它们具有许多其他玻璃成型材料中也会发生的现象。
如今，球形胶体已用于大多数胶体悬浮实验中。但是，大多数自然和技术系统都由非球形粒子组成。科学家使用高分子化学方法，通过拉伸和冷却直至椭圆形，然后将其置于合适的溶剂中，生产出小的塑料颗粒。
研究人员随后改变了悬浮液中颗粒的浓度，并使用共聚焦显微镜监测了颗粒的平移和旋转运动。他们指出，在一定的粒子密度下，定向运动被冻结，而平移运动持续存在，从而导致玻璃态，其中粒子被分组以形成具有相似定向的局部结构。研究人员称之为液体玻璃的结果是，这些簇相互干扰并介导了特征性的远程空间相关性。它们阻止了液晶的形成，这是热力学所期望的物质的整体有序状态。
实际上，研究人员观察到两个相互竞争的玻璃化转变-规则相变和非平衡相变-相互作用。“从理论上讲，这非常有趣。Mathias Fuchs解释说，我们的实验为临界波动与冻结光之间的相互作用提供了一种证据，科学界一直在为此努力了一段时间。水玻璃的预测一直是二十年来的理论假设。
结果还表明，类似的动力学可能在其他玻璃形成系统中起作用，因此可能有助于揭示复杂系统和分子的行为，从很小的（生物学的）到很大的（宇宙学的）。它还潜在地影响液晶装置的设计。
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