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对于玻璃你的了解有多深?

发表时间:2020-04-14 13:52

对于玻璃你的了解有多深?


  玻璃看起来很简单,你或许觉得很普通,其实它是一种非常奇怪的材料,甚至是一个难以置信的谜。

玻璃绝对是一个物理学之谜,自从人类在几千年前第一次遇到它以来,就一直无法理解。

原因是:玻璃不是普通的固体,但它也不是液体。它介于两者之间,是一种奇怪的混合物,一种称为非晶态固体的物质。

  非晶态固体又称无定形体或玻璃体。其内部原子或分子的排列无周期性,如同液体那样杂乱无章地分布,可以理解为过冷的液体。

  最近,科学家的一项突破使我们比以往任何时候都更接近于了解玻璃表面下发生了什么,这要归功于一种新的算法,这可以帮助预测玻璃对温度的依赖性。

  这个项突破能帮助我们更快、更好发现新材料,并理解玻璃整体上是如何以这种奇怪的方式存在的。

玻璃是无定形的,没有平衡结构,所以它不断地通过分子的缓慢运动变化。

由于在分子水平上的这些运动,玻璃从来没有形成固体的理想状态,在理想状态下原子会排列成有序的、可预测的晶体结构。

  理论上,如果有足够的时间,玻璃或许有一天会到达理想状态,但由于原子过程非常缓慢,这将需要非常长的时间,科学家们认为,这个时间会超过数百年。

  另一个困难是温度。硅基玻璃和其他非晶态玻璃材料(如聚合物),也非常容易受到温度变化的影响,这使得实现它们的理想状态变得更加不可能。

  热是引发所谓玻璃化转变的因素之一,在玻璃化转变中,受热的非晶态固体在冷却时从坚硬的玻璃态转变为更像液体的粘性形态。

  这是一个很酷而且是可逆的过程,但它是另一个让不同种类玻璃的物理特性难以确定的东西。

由于玻璃的非晶态和无序特性,它的性能会随着温度的变化而发生很大的变化,这使得预测它的物理行为变得极其困难。

  材料科学的挑战之一是设计方法来模拟不同种类的玻璃材料在加热时的行为。然而,由于玻璃无序和可变结构的分子复杂性,运行这类计算需要很长时间。

  然而,通过一种利用粗粒度(CG)建模的新算法,研究人员表示,他们能够将这个过程加快大约一千倍。

研究人员的能量重整算法并没有试图计算每个原子的位置和分子键,而是试图计算原子簇,从而对影响系统的熵和焓有更广泛的认识。

  用三种不同的玻璃态聚合物(聚丁二烯、聚苯乙烯和聚碳酸酯)测试了他们的方法,结果表明,粗粒度模拟与这些材料在现实世界中的行为精确相符。

  研究结果发表在《科学进展》杂志上。


文章分类: 玻璃知识
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