無序、玻璃與局域化

結構弛豫

/ STRUK-chur-ul ree-lak-SAY-shun /

一屁股坐進記憶棉枕頭,它不會立刻彈回來——接下來幾秒裡,它慢慢沉陷、圍著你的腦袋重新塑形,鬆弛進一個更舒服的姿態。玻璃在原子尺度上也做著類似的事:即便它已經凝固,那些雜亂的原子仍在極緩慢地把自己往更鬆弛的位置上挪。這種漸進、持續的安頓,就是結構弛豫。

結構弛豫是無序材料中原子或分子的緩慢重排,它們朝著能量更低、更安定的構型緩緩爬去。在液體裡,這幾乎瞬間完成;在玻璃裡,原子幾近凍結,它可能要花上幾秒、幾年,或比宇宙年齡還長,而且隨著材料變冷或老化,它會急劇變慢。這材料並未處於真正的平衡——它被卡在一團混亂裡——所以它不斷朝著堆擠得更好的排佈一寸寸挪動,所需的時間隨著溫度越低而極大地拉長。

結構弛豫之所以重要,是因為它支配著玻璃和塑料如何隨時間老化、流動與響應:它決定了玻璃多快卸掉內部應力、為什麼舊塑料會變脆、為什麼玻璃做成之後性質會緩慢漂移。誠實的微妙之處在於:弛豫不是單獨一隻鐘——無序材料同時在一大段時間尺度上弛豫,有些原子很快安頓,另一些卻要花上億萬年,這正是玻璃如此費解、如此不同於普通晶體的原因之一。

玻璃工匠會對剛成型的玻璃做退火處理——讓它溫熱地保持一段時間——正是為了加快結構弛豫。在較高的溫度下,凍結的原子能挪動得足以釋放快速冷卻留下的內部應力。略過這一步,那些應力就被鎖在裡頭;幾天後,僅憑一點溫度變化,玻璃就可能炸裂,未經弛豫的結構把自己撕開。

退火讓玻璃溫熱起來,好讓結構弛豫釋放內部應力——略過它,玻璃可能自行開裂。

結構弛豫正是玻璃並非真正靜止的原因,但它和「室溫下流動」的傳言不是一回事。在日常溫度下,窗玻璃的弛豫慢到要比宇宙年齡還久才顯出影響——但只要把玻璃加熱,弛豫就快到能在實驗室裡看見。

又稱
structural rearrangement弛豫