無序、玻璃與局域化

玻璃化轉變

/ glas tran-ZISH-un /

攪動一鍋漸涼的濃焦糖,你能感到它變性情的那一刻:上一瞬你還能拖著勺子劃過它,下一瞬它就變硬、發橡皮性、紋絲不動了。沒有什麼結晶,沒有什麼沸騰——糖漿只是變得太遲緩,流不動了。這種漸漸發膠的過程,讓一團冷卻的液體在不結晶的情況下僵成玻璃,就是玻璃化轉變。

玻璃化轉變是這樣一段溫度區間:在其中,一團冷卻的液體減速減得如此劇烈,以至於在任何人類時間尺度上都不再流動,表現得像固體——卻不形成晶體。隨著液體變冷,它的原子或分子重排得越來越慢;接近某個溫度時,重排所需的時間從零點幾秒暴漲到比宇宙年齡還長。到那一刻,這團混亂便算是被凍在原地了。和熔化或沸騰不同,這不是某個固定溫度上的驟然相變;它是一段被抹開的減速,還取決於你冷得多快。

玻璃化轉變之所以重要,是因為它決定了塑料、橡膠和玻璃的工作溫度——一種聚合物到底是有彈性的皮筋還是脆生生的硬棍,取決於你處在它玻璃化轉變的哪一側。誠實的微妙之處在於:物理學家至今仍在爭論玻璃化轉變那一刻究竟發生了什麼——它看起來像一次凍結,但減速的底下是否藏著一次真正的相變,仍是這個領域裡最大的懸而未決之謎之一。

一根在冷凍室裡放了一夜的橡皮筋取出來會變脆:一拉它就像枯枝一樣啪地斷掉,而不是伸長。寒冷把橡膠推到了它玻璃化轉變溫度以下,凍住了那些長分子,讓它們再也無法彼此滑過。讓它回暖到室溫,它就再次越過玻璃化轉變,彈回到有彈性的狀態。

在玻璃化轉變溫度以下,橡膠變脆;在它以上,分子能動起來,橡膠又能伸長。

由於玻璃化轉變取決於冷卻速度,它不像熔化那樣發生在某個固定溫度上。把液體冷得更慢些,它會一直流到更低的溫度才凍成玻璃。這種對歷史的依賴,正是一條線索:玻璃化轉變並不是一次乾淨的平衡相變。

又稱
vitrification玻璃转变