基礎:跨尺度的材料結構

短程有序

短程有序講的是街坊,不是整座城市。就算在看似雜亂的玻璃或液體裡,每個原子對它緊鄰的鄰居仍然很講究,有幾個、離多遠。短程有序就是這種局部規律:即使長距離上沒有重複圖案,一個原子的最近鄰(也許還有次近鄰)仍有界定清楚的排列。

具體來說,原子不是能互相重疊的點粒子;每個原子都有大小,也偏好某些鍵長與鍵角,所以它的第一層鄰居會落在相當確定的距離上。在矽玻璃裡,每個矽都被四個氧圍成一個四面體,矽-氧距離約 1.6 埃,這是銳利的短程有序,即使再往外幾個原子,網絡就開始遊走、永不重複。我們用徑向分布函數(RDF)來量測它:它顯示一個銳利的第一峰(界定清楚的最近鄰),在較大距離處逐漸模糊化。

短程有序正是非晶不等於隨機的原因。它解釋了為什麼玻璃有確定的密度與特定的化學組成,也解釋了為什麼液體與玻璃仍會繞射(成為寬闊的暈環,其位置由最近鄰距離決定)。介於純粹短程與完整長程有序之間的,是中程有序,在幾奈米範圍內的部分組織,在真實玻璃裡很重要。提醒:光有短程有序無法給出銳利的繞射斑點;只有長程有序才辦得到。

在矽玻璃裡,每個矽都被四個氧圍成一個四面體,矽-氧距離約 1.6 埃,銳利而確定;但再往外幾個原子,網絡就遊走開來、不再重複。短程有序,長程無序。

矽玻璃:銳利的最近鄰(短程有序),卻沒有長程重複。

有短程有序不代表就是晶體。幾乎所有凝聚態物質,包括液體與玻璃,都有短程有序;把晶體和其他狀態分開的,是那個長程重複。

又称
SROlocal order短程秩序