玻璃是一種令人迷惑不解的形態,物質屬性更接近液體而不是固體.通過懸浮室實驗,物理學家希望進一步了解物質從液體變成 玻璃過程中原子到底發生了什麼.
我們通常簡單地認為,玻璃就是安裝在窗戶上的東西,但實際上,玻璃也是一種物質形態,就像氣態、液態或者固態一樣.所有液體都能變成玻璃,只是難易程度不同罷了.美國華盛頓大學聖路易斯分校物理學家肯尼斯·凱爾頓表示:「4000年前,生活在美索不達米亞的人就開始使用玻璃,但我們至今仍不了解液體如何變成玻璃的過程.這是最有趣的動力學過程之一.」
此次研究中使用的液體為金屬,例如鈦、鋯、鎳、鉑以及合金(兩種或更多種金屬的混合物).如果能夠快速冷卻,這些液態金屬也能變成玻璃,而不是固體.關鍵的問題是必須讓這些液態金屬處於不與容器等其他物質接觸的狀態.使用容器更容易讓液態金屬變成固態而不是玻璃.為了進行這種實驗,液態金屬必須在真空中漂浮,不接觸其他任何東西.這也就是為什麼要使用懸浮室.
中子靜電懸浮室造價165萬美元,製造完畢後將在美國田納西州橡樹嶺國家實驗室投入使用.項目組領導人凱爾頓及其同事——橡樹嶺國家實驗室和田納西州大學的江上武(Takeshi Egami)、愛荷華州大學的艾倫·高曼以及橡樹嶺國家實驗室的王勳利(Xun-li Wang,音譯)——希望能夠在大約3年內完成製造並投入使用.
懸浮室將使用電極誘導金屬液滴表面的電荷.在此之後,電磁場將負責讓液滴在一個點上保持懸浮狀態.橡樹嶺國家實驗室的另一臺機器「散變中子源」將產生中子束,目標直指懸浮液滴.(中子是原子核中的電中性亞原子粒子)研究人員計劃讓中子擔任光線的「替身」,形成一個中子顯微鏡用以研究液體.穿過液滴過程中,中子能夠與液滴中的原子發生相互作用.當中子在液滴另一面出現時,它們會因液滴中的原子排列呈現出一種獨特的結構.
凱爾頓說:「我們希望懸浮室實驗能夠為我們提供有關液體中從未被研究的東西的信息.如果原子在液體中移動,我們能夠通過中子穿過的方式了解這種移動.」在室溫下以固態存在的金屬必須被置於高溫環境以保持液態.研究人員計劃採用雷射束照射液體樣本以保持加熱狀態,而後調整雷射束能量進而調節溫度,讓液態金屬冷卻成玻璃.
物理學家希望在不同形態下比較金屬的微觀結構,以確定哪些因素決定形態差異.凱爾頓表示:「如果對從液體變成玻璃的結構差異進行觀察,我們就能發現差異,但這種差異非常微妙.」
固體擁有組織非常嚴密的結構,原子有規則地排列並且不斷重複,就像是一個個積木.隨著時間流逝,這種結構仍比較穩定.相比之下,液體中的原子排列則較為混亂,以不斷變化的不規則結構聚集在一起.從表面上看,玻璃更像是固體,但內部原子排列卻更接近液體.它們也會發生變化,只是速度比固體更為緩慢,這也就是為什麼舊玻璃靠近底部的地方更厚.隨著時間推移,玻璃的一些區域在引力作用下向下 「滲漏」,但這一過程非常緩慢,很難被觀察到.
物理學家表示,雖然玻璃中的原子在一定程度上隨機排列,但它們實際上要比表面看起來更為穩定.絕大多數原子可能被它們的鄰居禁錮在一定位置,對於移動的原子來說,其周圍的原子也不得不發生移動.因此,玻璃流動的唯一原因就是內部大量原子的共同移動.
凱爾頓及其團隊在懸浮室進行的早期實驗顯示,原子以有序結構聚集在一起可形成島狀物.這些島狀物似乎可以幹擾在固體中形成的更大結構,它們的存在阻止液體變成固體,讓液體保持一種較為混亂的狀態.但對於島狀物如何發揮作用或者所有玻璃中是否都存在這種現象,研究人員並沒有達成一致意見.他們希望未來的懸浮室實驗能夠提供新線索.