陶瓷與玻璃

玻璃結構(glass structure)

玻璃是一種來不及排成晶體的固體,是被凍結的液體。想像把水冷得極快,分子還來不及排成整齊的冰就固化了;你會得到玻璃態的水。普通玻璃正是如此:熔融的二氧化矽冷得夠快,原子被鎖在液體那種雜亂、遊走的排列中,而不是像石英那種整齊重複的晶格。

鍵本身和結晶石英一樣,都是強韌的 SiO4 四面體,每個四面體仍與鄰居共用角,搭成連續的三維網。差別只在花樣:石英裡相連的四面體完美重複,而玻璃裡它們以略為變化的角度相連,所以這個網有短程有序(每個 Si 仍有 4 個氧)卻無長程有序(沒有重複的晶格)。因為沒有規律的晶格,玻璃沒有單一尖銳的熔點;加熱時它會在一段範圍內逐漸軟化,經過玻璃轉化溫度,由脆性固體變成濃稠、可加工的液體。

這個結構解釋了玻璃日常的性格。沒有晶面也沒有晶界,光可以直穿而過,所以玻璃透明;沒有容易滑移的平面,所以它硬而脆。這也表示玻璃嚴格說並不處於平衡;它是介穩的凍結液體,不過在室溫下凍得太牢,所以「中世紀窗玻璃歷經數百年往下流」的老說法根本是假的。在純二氧化矽中加入其他氧化物(鈉、鈣的氧化物)能降低加工溫度,這就是便宜窗玻璃的做法。

石英與窗玻璃都是 SiO4 四面體的網;石英完美重複(晶體),玻璃不重複(只有短程有序),所以玻璃是在一段範圍內軟化,而非在單點熔化。

同樣的磚塊、沒有重複的花樣:這就是晶體與玻璃唯一的差別。

老窗玻璃底部較厚並非緩慢流動;玻璃在室溫下凍得太剛硬無法蠕變,只是當年玻璃厚薄不均、安裝時把厚的一邊朝下罷了。

又称
amorphous silicavitreous state玻璃態