玻璃與玻璃態
玻璃形成(glass formation)
製造玻璃是一場賽跑。一方是熔融液,只要時間夠久,它總想結晶成能量最低的有序形態;另一方是時鐘:結晶需要原子遷移並組裝,而那需要時間。如果你把熔融液冷卻得夠快,讓原子在晶體成核並長大之前就凍結定位,你就贏了這場賽跑,把液體結構鎖成玻璃。冷得太慢,晶體就贏了。玻璃形成,說穿了就是搶在結晶之前抵達終點。
「多快才算夠快」取決於材料。這場競賽常畫成一條時間-溫度-轉變曲線(TTT 曲線),那條鼻形界線標示出晶體最早出現的位置;你必須讓冷卻路徑走在鼻尖的左側才躲得過。矽石是個懶惰的結晶者,因為它的網路太黏,原子幾乎動不了,所以它的臨界冷卻速率只需每秒幾分之一度,幾乎毫不費力就能成玻璃。純金屬則相反:它的原子靈活、急著結晶,你得以約每秒一百萬度的速度淬冷才能做出金屬玻璃。一般窗玻璃則舒服地落在兩者之間。
誠實的結論是:只要冷卻得夠快,幾乎任何液體都能做成玻璃;反過來,即使是很好的玻璃形成者,若在危險溫區停留太久也會結晶。因此玻璃形成是一場我們學會駕馭的動力學意外,而非只有少數神奇材料才擁有的特殊性質。那些容易成玻璃的氧化物,也就是好的網狀形成者,正是熔融時本來就又硬又慢的那些。
黑曜岩是大自然的玻璃:流紋質岩漿湧到冷空氣中,冷卻得夠快而跳過結晶,留下黑色的火山玻璃,銳利得足以當手術刀。同樣的岩漿若在地底深處緩慢冷卻,反而會長成粗粒的結晶花崗岩。一份熔漿、兩種岩石,全由冷卻速率決定。
同源熔漿生成黑曜岩或花崗岩,說明玻璃形成是淬冷與結晶之間的一場賽跑。
良好的玻璃形成能力並非魔法;它只是表示熔融液在接近凝固溫區時夠黏,原子來不及重排。加入網狀修飾者會讓熔融液變稀,反而提高析晶(devitrification)的風險。
又称
另见