玻璃(glass)
看蜂蜜被冷卻。溫熱時它流動自如;變冷後它變得濃稠遲滯;放進冷凍庫,它會變成一塊僵硬、透明、能用鎚子敲裂的固體——然而若你去看原子,它們仍如流動時那般雜亂,只是不再移動了。這就是玻璃的精髓:一種被冷卻得太快、變得太僵硬的液體,它的原子在能排成晶體之前,就被凍結在挪動到一半的姿態。玻璃,說白了就是「被凍住的液體」——一種擁有液體那種無序原子排列、卻具備固體剛性的固體。
更精確地說,玻璃是把液體「穿過」玻璃轉變(glass transition)冷卻、而不讓它結晶所形成的非晶質固體。液體冷卻時,黏度(抵抗流動的能力)陡然攀升;在玻璃轉變溫度 Tg 附近,黏度達到約 10^12 帕秒(pascal-second)——比水濃稠約一千兆倍——原子在任何合理時間內都再也無法重排。到了那一刻,材料不再像會流動的液體,而成為堅硬的玻璃,但它保留了液體那纏繞、非週期的結構:鮮明的短程有序(確定的最近鄰)、沒有長程有序。這正是玻璃有別於其他非晶質固體之處——玻璃專指把熔體淬過 Tg 的產物,而非比方說氣相沉積或輻射損傷的產物。
經典的例子是二氧化矽玻璃,以及做窗戶與瓶子的普通鈉鈣(soda-lime)玻璃,其原子骨架是矽與氧構成的連續無規網絡(continuous random network)。但這個概念遠更寬廣:拉成硬糖的糖是玻璃,許多高分子在其 Tg 以下呈玻璃態,甚至金屬只要冷卻得夠快也能製成玻璃。有一個重要的誠實提醒:老教堂的窗戶底部較厚、是因為玻璃數百年來緩慢流動——這個老說法是「迷思」。在室溫下,二氧化矽玻璃黏度極其龐大,要肉眼可見地流動所需的時間遠比宇宙年齡還長;厚度不均來自當年製窗的工法,而非流動。
普通窗玻璃是鈉鈣玻璃:約 70% 的二氧化矽(SiO2),再加入蘇打(Na2O)與石灰(CaO)以降低熔點、方便加工。它的原子形成一個連續但不規則的矽氧四面體網絡——與石英晶體中相同的四面體,只是以隨機角度相連,使圖樣永不重複。若把熔體慢慢冷卻,它會結晶成石英;以一般速率冷卻,它則凍成玻璃。
玻璃是冷卻得夠快、在結晶之前就凍住的熔體——一種被凍住的液體。
玻璃不是一種獨立的物態,室溫下也不是慢慢流動的液體。它是一種非平衡、被動力學困住的非晶質固體:若真給予無限的時間,它終將結晶,但對二氧化矽玻璃而言,那時間遠超過宇宙的年齡。