玻璃態(glassy state)
想像一杯正在結凍、卻被凍結在半途的液體。在一般晶體中,原子有足夠時間排成整齊、無限重複的圖案,就像箱子裡疊得方正的橘子。但在玻璃裡,熔融液被冷卻得太快,原子還來不及排好隊就被鎖死了。結果就是一個內部保有液體般雜亂排列的固體:摸起來堅硬,內部卻和它原本的糖漿一樣無序。這就是玻璃態,或稱非晶(amorphous)態。
非晶並不代表在每個尺度上都是隨機的。把矽玻璃放大來看,每個矽原子仍被四個氧整齊地包在一個 SiO4 四面體裡,每根 Si-O 鍵的長度也仍然正確。這叫做短程有序(short-range order),它完好保留下來。缺失的是長程有序(long-range order):四面體在每個接點都被扭轉傾斜,因此往外走幾個原子,圖案就走了樣,沒有可重複的晶胞。這個特徵可以直接看見。用 X 光照射晶體,會得到一組尖銳如針的繞射斑點;照射玻璃,斑點則糊成幾圈寬而模糊的暈環,正是「秩序在一奈米內就消散」的印記。
由於沒有晶格可供熔化,玻璃沒有明確的熔點。加熱時它是在一段溫度範圍內逐漸軟化,這個事實主宰了所有玻璃的成形方式。這也意味著玻璃是一種真正的固體,而不是緩慢流動的液體:那個「中世紀教堂彩窗底部較厚,是因為玻璃數百年來往下流」的說法其實是誤傳(它們只是被做得厚薄不均,安裝時把厚的一端朝下)。在室溫下,一片窗玻璃和任何晶體一樣堅硬而靜止。
從爐中取出一團熾紅的鈉鈣玻璃,在幾秒內冷卻,你會得到一塊透明的玻璃鎮紙;若讓同樣一團在略低於熔點的溫度下靜置數小時,它會因內部長出晶體而慢慢變得混濁泛白。相同的化學組成,卻是兩種不同的固體:一個非晶、一個結晶。唯一的差別,就是原子被允許移動的快慢。
玻璃與晶體可以有完全相同的組成;區分它們的是原子排列的秩序,而秩序由冷卻速率決定。
非晶並不等於不純或髒污。熔融矽石可以比多數晶體在化學上更純淨;它是無序,而非受污染。室溫下的玻璃並不會流動,因此請別再重複那個中世紀彩窗的迷思。