<去年11月,美国科学院院士,芝加哥大学的NAGEL教授到ARIZONA STATE UNIV访问时就谈到, 玻璃可能既不是冻结的液态也不是无序的固态.最近,偶然在网上见到这篇于今年2月份在SCIENTIFIC AMERICAN上发的短文,其中,EDIGER教授提出了同样的疑问.显然,世界顶尖的科学家们已经敏锐地注意到了这一问题.再加上1995年诺贝尔奖得主ANDERSON教授关于玻璃转变的一席话,我们有理由说,目前我们对玻璃态和玻璃转变物理的认识还远远不够.我把这篇文章翻译了,文章的原作者可能不是搞这方面研究的,文章写得不是很好.>

中世纪大教堂里的玻璃有时候看上去怪怪的. 有些玻璃底部厚而顶上薄. 这些表面上看固态的玻璃显然已经熔化过了. 这就是导游, 互联网传言,甚至高中化学老师所说的玻璃实际上是液体的证据. 而且, 因为玻璃是硬的, 它一定是过冷液体.

但是, 玻璃实际上既不是一个液体 - 过冷或其他什么 - 也不是一个(如晶体具有固定结构的)固体. 它是一个无定形的固体 – 介于这两种物态间的一种状态. 玻璃类似液体的性能却不足以解释底端厚的窗户(玻璃), 因为玻璃中的原子运动太慢, 不会引起明显的变化.

固体具有高度有序的结构. 它们包括晶体, 象糖和盐, 上百万的原子排成一行, 麦迪逊, 威斯康星大学化学教授, MARK EDIGER解释说. “液体与玻璃没有那样的有序性” 他谈到. 玻璃, 尽管比液体更有序, 但没有达到晶体的刚性有序度. “无定形意味着它(原子结构)没有那样的长程有序”, EDIGER说. 固体, 如果你抓它, 它保持自身的形状, 他补充到.

制做玻璃的时候, 材料(经常包含氧化硅)从液态被快速冷却, 但是当温度低于熔点时, 不固化(晶化). 在这个阶段, 材料是过冷液体, 一个介于液态和玻璃态间的中间态. 要变为无定形固体, 材料被继续冷却, 低于玻璃转变温度. 跨过这个点, 材料中分子的运动已减慢到近乎停止, 此时材料变为玻璃. 这一新的结构不象晶体那样有组织, 因为它没有凝固(晶化), 但要比液体有序. 从实用上讲, 如装杯饮料, 玻璃是象一个固体, 尽管无序, EDIGER说.

这些无序的固体象液体一样能流动, 尽管非常慢. 经过长时间, 组成玻璃的分子移动到一个更稳定, (局域)类似晶体的形式, 并存在下去, EDIGER解释说. 玻璃(温度)离玻璃转变温度越近, 玻璃(内原子或分子)移动越多; 离玻璃转变点越远, 分子移动越慢且看起来更接近固态.

但是, 无论玻璃怎么流动, 都无法解释为什么一些古老的窗户下面更厚. 与此不同,更老的玻璃甚至没有同样的熔化痕迹. 事实上, 古埃及的器皿没有一件有下垂痕迹, 纽约科宁玻璃博物馆古董玻璃研究者, ROBERT BRILL说. 而且, 教堂的玻璃不应当流动, 因为它(的温度,既室温)比玻璃转变温度低上百度, EDIGER补充到. 一个数学模型显示, 在室温, 教堂的玻璃(中的分子)要重排并显露熔化迹象, 要花的时间比宇宙存在的时间还要长.

古老的欧洲玻璃为何在一端更厚, 可能得看玻璃是怎么做的. 在那个时候, 玻璃工匠先制造玻璃圆筒, 之后整平做成平板窗玻璃. 由此工艺得到的这些玻璃板可能永远都不曾平整, 并且安装窗户的工人们由于某个原因愿意把厚的一侧放到下面. 这使它们看起来象熔化了, 但是, 这不意味着玻璃是真的液体. 

Fact or Fiction?: Glass Is a (Supercooled) Liquid

Are medieval windows melting?

By Ciara Curtin

February 22, 2007.  From www.scientificamerican.com

In medieval European cathedrals, the glass sometimes looks odd. Some panes are thicker at the bottom than they are at the top. The seemingly solid glass appears to have melted. This is evidence, say tour guides, Internet rumors and even high school chemistry teachers, that glass is actually a liquid. And, because glass is hard, it must be a supercooled liquid.

Glass, however, is actually neither a liquid—supercooled or otherwise—nor a solid. It is an amorphous solid—a state somewhere between those two states of matter. And yet glass's liquidlike properties are not enough to explain the thicker-bottomed windows, because glass atoms move too slowly for changes to be visible.

Solids are highly organized structures. They include crystals, like sugar and salt, with their millions of atoms lined up in a row, explains Mark Ediger, a chemistry professor at the University of Wisconsin, Madison. "Liquids and glasses don't have that order," he notes. Glasses, though more organized than liquids, do not attain the rigid order of crystals. "Amorphous means it doesn't have that long-range order," Ediger says. With a "solid—if you grab it, it holds its shape," he adds.

When glass is made, the material (often containing silica) is quickly cooled from its liquid state but does not solidify when its temperature drops below its melting point. At this stage, the material is a supercooled liquid, an intermediate state between liquid and glass. To become an amorphous solid, the material is cooled further, below the glass-transition temperature. Past this point, the molecular movement of the material's atoms has slowed to nearly a stop and the material is now a glass. This new structure is not as organized as a crystal, because it did not freeze, but it is more organized than a liquid. For practical purposes, such as holding a drink, glass is like a solid, Ediger says, although a disorganized one.

Like liquids, these disorganized solids can flow, albeit very slowly. Over long periods of time, the molecules making up the glass shift themselves to settle into a more stable, crystallike formation, explains Ediger. The closer the glass is to its glass-transition temperature, the more it shifts; the further away from that changeover point, the slower its molecules move and the more solid it seems.

Whatever flow glass manages, however, does not explain why some antique windows are thicker at the bottom. Other, even older glasses do not share the same melted look. In fact, ancient Egyptian vessels have none of this sagging, says Robert Brill, an antique glass researcher at the Corning Museum of Glass in Corning, N.Y. Furthermore, cathedral glass should not flow because it is hundreds of degrees below its glass-transition temperature, Ediger adds. A mathematical model shows it would take longer than the universe has existed for room temperature cathedral glass to rearrange itself to appear melted.

Why old European glass is thicker at one end probably depends on how the glass was made. At that time, glassblowers created glass cylinders that were then flattened to make panes of glass. The resulting pieces may never have been uniformly flat and workers installing the windows preferred, for one reason or another, to put the thicker sides of the pane at the bottom. This gives them a melted look, but does not mean glass is a true liquid.