晶體結構

非晶質固體

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把推擠中的人群在某一瞬間凝結:每個人都緊挨著幾位鄰居,卻沒有像行進樂隊那樣一列列延伸到天邊的方陣。非晶質固體就像這樣。這個字的字面意思是「沒有形狀」(源自希臘文),用來形容一種固體:原子之間有短程有序(每個原子都與正確的鄰居鍵結),卻沒有長程有序(沒有貫穿整個材料的重複圖案)。一般的窗玻璃就是經典例子。

固體怎麼會變得無序?通常是把液體冷卻得太快,原子還來不及排成晶體就被凍結定位,於是雜亂的液態結構被保留下來。在矽玻璃中,SiO4 四面體仍在角上相連,卻朝著隨機的方向,這與石英不同——石英是完全相同的化學成分,卻結晶成整齊的重複陣列。許多高分子也因為長鏈糾纏、難以摺疊成規則格子,而呈部分或完全非晶質。

後果很實際。由於沒有晶面,玻璃沒有解理方向,因此破裂時呈平滑彎曲的貝殼狀,而非沿平整面裂開;它通常是等向性的(各方向相同),而且往往透明。它沒有明確的熔點,而有一個玻璃轉化溫度 Tg,在此逐漸由液態硬化為剛性固體。有些金屬甚至能被急冷成非晶質的金屬玻璃,強度可以相當驚人。

窗玻璃與石英晶體化學成分相同(都是二氧化矽 SiO2),結構卻不同:石英是晶體,SiO4 四面體有序排列;窗玻璃是非晶質,相同的四面體凍結成隨機網狀——這正是玻璃沒有解理面、破裂時呈平滑彎曲碎片的原因。

相同的原子、不同的秩序:結晶的石英對比非晶質的窗玻璃。

非晶質不代表在每個尺度都雜亂無序——最近鄰之間仍有真實的秩序,只是缺少長程的週期重複。此外,室溫下的玻璃並非緩慢流動的液體(這是流傳已久的迷思)。

又稱
glassy solidnon-crystalline solid玻璃態固體非晶固體