玻璃與玻璃態
過冷液體(supercooled liquid)
過冷液體是被冷卻到理應凝固溫度之下、卻不知怎地還沒凝固的液體。非常乾淨的水在光滑容器中可以被冷到攝氏 0 度以下好幾度仍頑強保持液態,因為冰需要一顆晶種才能開始生長,而當下沒有東西可供成核。過冷液體是在借來的時間裡度日:它處於與溫度不相稱的狀態,最微小的擾動都可能觸發它瞬間結晶。
這個狀態是玻璃製造的關鍵中間地帶。當熔融液冷卻越過熔點 Tm 卻沒有結晶時,它就成了過冷液體。繼續冷卻,它的黏度會無情攀升。在 Tm 以下某處,它會通過晶體成核與生長最快的危險區;若能撐過這道關卡,原子最終會在 Tg 處僵硬到停止,過冷液體便終於凍結成玻璃。所以玻璃不過就是一個逃脫成功的過冷液體:同樣的材料,在找到晶體之前就被攔下了。
要記住的關鍵詞是「亞穩(metastable)」。過冷液體並不處於真正的平衡;晶體永遠是它更想待著的較低能量狀態。它能存活,只因為通往晶體的路徑在動力學上被封鎖了,不是被高黏度、就是被缺乏晶核所阻。給它時間、溫度或一粒灰塵,它就會結晶。理解過冷液體,能同時解釋為什麼玻璃做得出來,以及為什麼玻璃若被重新加熱到錯誤的溫區會慢慢析晶。
暖暖包裡裝的是一瓶過冷的醋酸鈉溶液。按一下裡面那片小金屬圓盤,你就提供了一顆晶核;整瓶液體在幾秒內結晶,放出熱量並變成固體。玻璃是同一招反過來玩:小心冷卻熔融液,讓晶核始終無法立足,過冷液體便凍結成玻璃,而不是晶體。
按一下就發熱的暖暖包讓過冷液體隨需結晶;玻璃製造則是設法讓過冷液體始終不結晶。
過冷不代表穩定。這液體是亞穩的,隨時準備結晶;玻璃只是一種原子在 Tg 之下已遲鈍到無法完成結晶動作的過冷液體。
又稱
另見