玻璃悖论
玻璃是远离平衡态的材料,可以通过避免热力学转变为有序的晶体结构来制备。理论上讲,如果等待足够长时间,玻璃最终将会达到它真正的平衡态——晶体。这里,我们在图中展示了几个从古至今仍然保持玻璃态的例子:埃及的陶罐(最右边)大约有2500年的历史;2000万年前的琥珀玻璃可能包含了恐龙时代的生命痕迹(左下),就像好莱坞大片中流行的那样,研究人员可以借此了解较长的老化时间如何影响玻璃性能[1];许多早期文明用黑曜石制成箭头(左上)和其他工具(黑曜石是一种天然存在的火山玻璃,可以保持玻璃态7500万年而不结晶);阿波罗15号宇航员从月球带回了小玻璃珠(上中),它们的历史超过30亿年,是地球上最古老的玻璃。从这些例子,我们可以看出玻璃可以很容易实现类似于晶体的长期亚稳态。
考虑到玻璃的非平衡特性,它们的长期稳定性可能令人惊讶。这种稳定性,以及它们组分的多样性,使得玻璃适合作为核废料的储存介质(参见文章lan Pegg,PYHSICS TODAY, February 2015, page 33)。玻璃在比玻璃化转变温度低得多的温度下进行储存可以提高玻璃的稳定性,其中,低温减缓了分子重排,从而抑制了晶体的成核和生长。
环境因素对玻璃的稳定性也很重要。地质玻璃经常因接触水而结晶;氧化环境有可能改变玻璃的化学性质,并导致结晶;在地球上,构造板块缓慢而持续的运动将地质玻璃再循环成其他材料;考虑到月球的温度和环境,月球可以说是玻璃的完美家园。
翻译 | 付洋(理论物理所2020级博士生)
参考文献
感谢原文作者,法国蒙彼利埃大学的 Berthier 教授和美国威斯康星大学麦迪逊分校的 Ediger 教授,对于本文翻译的支持。
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