玻璃態

指組成原子不存在結構上的長程有序或平移對稱性的一種無定型固體狀態。

玻璃態可以看成是保持類玻璃特性的固體狀態。

無機玻璃是人類最早合成的無機材料之一，大多數高分子聚合物也都屬於玻璃態。

生成玻璃態的氧化物主要是電負性居中的元素，如硼、硅、鍺和磷等。這些元素與氧形成很強共價鍵，並構成較為開放的三維網路結構，即使溫度在材料的熔點以上，這種共價鍵仍然存在，只是體系中不存在有任何長程有序或平移對稱性。這些氧化物的熔融狀態具有很高的黏度，在體系溫度降低時，容易處於過冷狀態，使長程無序得以在固相中保持。過冷液態轉變為玻璃態的溫度稱為玻璃化溫度。一些玻璃在低於玻璃化溫度經長時間退火，可以使玻璃態向晶態轉變，這種現象稱為失透。在上述氧化物中加入鹼金屬氧化物可以在一定程度上打破原有的三維網路，使玻璃化溫度降低。人們對硅酸鹽玻璃進行了較多的研究，認為在玻璃態下，仍保持著硅氧四面體的結構，但是硅氧四面體之間存在有不同程度的扭曲和旋轉，形成無序的三維網路。

當聚合物材料受到外力作用時，只能通過改變主鏈上的鍵長、鍵角去適應外力，因此聚合物表現出的形變能力很小。形變數與外力大小成正比，外力一旦去除，形變立即恢復。由於該狀態下聚合物表現出的力學性質與小分子玻璃很相似，所以將聚合物的這種力學狀態稱為玻璃態。鏈段運動處於被凍結的狀態，只有鍵長、鍵角、側基、小鏈節等小尺寸運動單元能夠運動。

1、各向同性：由於玻璃具有統計性均勻結構，在不同方向上具有相同數值性質，如折射率、硬度、彈性模數、介電常數，在無內應力下具有雙折射現象。

2、加熱時逐漸軟化：由脆態進入可塑態、高黏態、最後成為熔體，黏度是連續變化的。

3、熔融和凝固是可逆的：反覆加熱到熔融態，又按同一制度加熱和凝固，如不產生分相和結晶，會恢復到原來的性質。

4、玻璃態的內能比晶體大：在合適的溫度條件下，玻璃有結晶是傾向，在液相線以下溫度，玻璃結晶是自發的，無需外界做功。

5、玻璃性質在一定範圍內隨成分發生連續變化：由此可以改變成分來改變玻璃的性質，如普通硅酸鹽玻璃是絕緣體，但硫族玻璃為半導體，As2Te3在27℃下的電導率高達10s/m

玻璃狀態，表面看上去是固體，實際上並不是。50多年來，科學家一直在嘗試弄清玻璃的本質。2008年，英國、澳大利亞及日本的科學家聯合研究發現，玻璃無法成為固體的原因在於玻璃冷卻時所形成的特殊的原子結構。相關論文2008年6月22日在線發表於《自然—材料學》（Nature Materials）上。

主要研究人員、英國布里斯托爾大學的Paddy Royall說：“一些材料在冷卻時會形成結晶，其原子會以高度規則的模式進行排列，稱為“晶格”（lattice）。不過玻璃在冷卻時，原子擁堵在一起，幾乎隨機排列，妨礙了規則晶格的形成。”

在實驗中，為了觀察微觀原子的真實運動情況，研究人員利用較大的膠體微粒模擬原子，並用高倍顯微鏡進行觀察。結果發現，這些粒子形成的凝膠因為構成了二十面體結構而無法形成結晶——這與20世紀50年代布里斯托爾大學的Charles Frank作出的預測相一致。這種結構解釋了為什麼玻璃是“玻璃”而不是液體或固體。

此次研究對於理解亞穩態材料來說是個重大的突破，它將使進一步開發金屬玻璃等新材料成為可能。另外，如果能夠通過操作使金屬在冷卻時形成玻璃一樣的內部結構，將有可能大大減少金屬缺陷1。（科學網 梅進/編譯）

（《自然—材料學》（Nature Materials），doi:10.1038/nmat2219，C. Patrick Royall，Hajime Tanaka）