无序、玻璃与局域化
结构弛豫
/ STRUK-chur-ul ree-lak-SAY-shun /
一屁股坐进记忆棉枕头,它不会立刻弹回来——接下来几秒里,它慢慢沉陷、围着你的脑袋重新塑形,松弛进一个更舒服的姿态。玻璃在原子尺度上也做着类似的事:即便它已经凝固,那些杂乱的原子仍在极缓慢地把自己往更松弛的位置上挪。这种渐进、持续的安顿,就是结构弛豫。
结构弛豫是无序材料中原子或分子的缓慢重排,它们朝着能量更低、更安定的构型缓缓爬去。在液体里,这几乎瞬间完成;在玻璃里,原子几近冻结,它可能要花上几秒、几年,或比宇宙年龄还长,而且随着材料变冷或老化,它会急剧变慢。这材料并未处于真正的平衡——它被卡在一团混乱里——所以它不断朝着堆挤得更好的排布一寸寸挪动,所需的时间随着温度越低而极大地拉长。
结构弛豫之所以重要,是因为它支配着玻璃和塑料如何随时间老化、流动与响应:它决定了玻璃多快卸掉内部应力、为什么旧塑料会变脆、为什么玻璃做成之后性质会缓慢漂移。诚实的微妙之处在于:弛豫不是单独一只钟——无序材料同时在一大段时间尺度上弛豫,有些原子很快安顿,另一些却要花上亿万年,这正是玻璃如此费解、如此不同于普通晶体的原因之一。
玻璃工匠会对刚成型的玻璃做退火处理——让它温热地保持一段时间——正是为了加快结构弛豫。在较高的温度下,冻结的原子能挪动得足以释放快速冷却留下的内部应力。略过这一步,那些应力就被锁在里头;几天后,仅凭一点温度变化,玻璃就可能炸裂,未经弛豫的结构把自己撕开。
退火让玻璃温热起来,好让结构弛豫释放内部应力——略过它,玻璃可能自行开裂。
结构弛豫正是玻璃并非真正静止的原因,但它和「室温下流动」的传言不是一回事。在日常温度下,窗玻璃的弛豫慢到要比宇宙年龄还久才显出影响——但只要把玻璃加热,弛豫就快到能在实验室里看见。
又称
另见