了解一下，科学家也回答不了的问题，玻璃是固态还是液态？

2023-05-25 郭哥聊科学

我们在中学就学过物质具有三种状态：气体、液体和固体。生活中很多物质都能够轻松将它们归类到这三者之中，然而玻璃究竟是属于哪种状态却一直是物理学的老大难问题，就连《科学》**，都曾将玻璃态物质的本质是什么列入125个最具挑战性的科学前沿问题之一。

一、关于玻璃的流言

我第一次听说玻璃是液体还是在大学的物理课上，教授说，中世纪欧洲教堂那些300年前的玻璃，在重力的作用下，下方变厚。他还说，玻璃是原子运动得很慢的液体，相比液态水中的原子慢20~30个数量级。

其实玻璃会缓慢变厚是一个无稽之谈。那些古老的玻璃之所以如此，是由于当时的制作工艺所致。当时的工人将融化的玻璃绞在铁棍上，棍子以很快的速度旋转，将玻璃团摊成平坦的圆盘。等玻璃**之后，再切割成玻璃窗。

这种工艺的缺点是，圆盘中央部分总会比边缘厚一些，所以这种玻璃切割成玻璃窗后，总会有一头要厚一些。而在安装玻璃的时候，厚的那边向下，有利于玻璃窗的稳定和雨水的流淌。所以教堂那些玻璃并不是向**动变厚，而是它本来就是那样的。

在讨论玻璃是固体还是液体的时候，首先需要明确什么是玻璃？然而相对于已经严格定义的晶体来说，玻璃并没有明确的统计力学描述或者定义。

科学家们定义了很多“玻璃”类的物质，比如胶体玻璃、分子玻璃、电子玻璃、自旋玻璃，这些玻璃都有其独特的特质，并且这些特质互相不重叠，但这些都被物理学家们用玻璃来称呼。也就是说，没有统一的玻璃概念，但“玻璃”具有公认的性质。

这种性质的理论名称叫“玻璃态”，即短程有序，长程无序状态。也就是说，玻璃内部，在数个或者数十个原子范围内，呈现出有序排列，表现出晶体的特征，而在原子数量增加后，便成为一种无序的排列状态，其混乱度类似液体。

所以说，玻璃不是晶体，也不是非晶体，也不是多晶体，也不是混合态，由于常温下，玻璃在宏观上是一种固态物质，所以只能叫它“玻璃态”。

很显然，用晶态、非晶态和液态的概念去定义物态是更精确的，因为这三种状态都是平衡态的概念，是平衡态物质的相态。接下来我们就在“态”的概念下来讨论玻璃态究竟是什么态。

晶体开始融化时的温度叫做熔点。在一个标准大气压下，晶体都是有熔点的，比如铁1535°C、铝660°C、铜1083°C、水0°C。一般来说晶体熔点从高到低为,原子晶体>离子晶体>金属晶体>分子晶体。

这是因为，当环境温度发生变化的时候，物体需要经过一定的时间才能达到平衡态。对于晶体来说，处于熔点以上温度的时候，其处于液态。当晶体温度降低到熔点以下的时候，物体就开始结晶，变成晶态。

玻璃没有熔点，只有软化点。通常软化点600度左右，随着温度的增高，其流动性会越来越好。软化点，也就是我们日常见到的玻璃成品刚开始变软的温度。

从这个角度来说，玻璃明显不具备晶体的特点。因为玻璃没有熔点，也就不存在过冷或者是低于熔点的概念，我们只能说，随着温度的降低，玻璃达到平衡态的时间会越来越长。

在有限的实验观察时间范围内，玻璃不可能达到平衡态，而且几乎完全失去液体的流动性特点，这就是我们所说的玻璃。从这个角度上说，玻璃是粘度很大的非平衡过冷液体。

由此可见，那位教授说玻璃是一种原子运动很慢的物体还是可信的。但如果就此说，玻璃就是一种液体，这个结论也下得过早，因为我们还要看一下玻璃的微观结构。

美国科学家菲利普·吉布斯曾经指出，从分子动力学和热力学的某些角度来说，玻璃可以看成是高黏度的液体，是无定形固体，或是既非液体也非固体的另一态。这是因为，常温下，玻璃这种表面上呈现书固定形状并且坚硬，具有固体属性的东西，其内部的分子排列却很像液体。

玻璃之所以会呈现出这样的状态，其主要原因就是：玻璃的粘度随温度的变化速度太快，而结晶速度又太慢。这意味着，当温度下降时，玻璃的分子由于粘度迅速增加而失去移动的能力，导致这些分子被留在了其为液态时候的位置上（这时候分子间相对距离更小），无法到达形成晶格节点的位置上去。

也正因为如此，常温下，玻璃中的原子虽然看上去是杂乱无章地固定在特定位置上，但其原子之间仍然有一种重新排列到晶格上的趋势，也就是说，这些原子需要以非常缓慢的速度才能爬到晶格上去，进入到能级更低的稳定状态。

通过前面的介绍我们可以看到，当液体的玻璃慢慢**后成为固体，我们很难说出液态玻璃与固态玻璃之间有什么确切的界限。可以说，玻璃不是液态也不是固态，只能叫做玻璃态才是更为适合的说法。那么玻璃中的原子是如何缓慢运动的？换句话说，玻璃是怎样流动的呢？这至今仍然是凝聚态物理和材料科学的未解之谜。

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