无序、玻璃与局域化

玻璃化转变

/ glas tran-ZISH-un /

搅动一锅渐凉的浓焦糖,你能感到它变性情的那一刻:上一瞬你还能拖着勺子划过它,下一瞬它就变硬、发橡皮性、纹丝不动了。没有什么结晶,没有什么沸腾——糖浆只是变得太迟缓,流不动了。这种渐渐发胶的过程,让一团冷却的液体在不结晶的情况下僵成玻璃,就是玻璃化转变。

玻璃化转变是这样一段温度区间:在其中,一团冷却的液体减速减得如此剧烈,以至于在任何人类时间尺度上都不再流动,表现得像固体——却不形成晶体。随着液体变冷,它的原子或分子重排得越来越慢;接近某个温度时,重排所需的时间从零点几秒暴涨到比宇宙年龄还长。到那一刻,这团混乱便算是被冻在原地了。和熔化或沸腾不同,这不是某个固定温度上的骤然相变;它是一段被抹开的减速,还取决于你冷得多快。

玻璃化转变之所以重要,是因为它决定了塑料、橡胶和玻璃的工作温度——一种聚合物到底是有弹性的皮筋还是脆生生的硬棍,取决于你处在它玻璃化转变的哪一侧。诚实的微妙之处在于:物理学家至今仍在争论玻璃化转变那一刻究竟发生了什么——它看起来像一次冻结,但减速的底下是否藏着一次真正的相变,仍是这个领域里最大的悬而未决之谜之一。

一根在冷冻室里放了一夜的橡皮筋取出来会变脆:一拉它就像枯枝一样啪地断掉,而不是伸长。寒冷把橡胶推到了它玻璃化转变温度以下,冻住了那些长分子,让它们再也无法彼此滑过。让它回暖到室温,它就再次越过玻璃化转变,弹回到有弹性的状态。

在玻璃化转变温度以下,橡胶变脆;在它以上,分子能动起来,橡胶又能伸长。

由于玻璃化转变取决于冷却速度,它不像熔化那样发生在某个固定温度上。把液体冷得更慢些,它会一直流到更低的温度才冻成玻璃。这种对历史的依赖,正是一条线索:玻璃化转变并不是一次干净的平衡相变。

又称
vitrification玻璃转变