长期以来，玻璃和其他奇怪的材料一直困扰着教

芝加哥威利斯大厦的玻璃墙和地板表现得像一块固体，但看起来更像原子级的液体。为什么能站在冰川上而不是海洋上？

答案似乎很简单：液体流动，而固体不流动。液体中的原子可以“晃动”。在固体中，它们“锁定”在晶格中。晶体的“无限重复模式”非常稳定，需要大量的能量才能使原子分离。

但是这种长期被接受的固体解释并不能解释准晶体——1982年在实验室首次发现的奇异固体，2009年发表在《自然》杂志上。准晶体中的原子以永不重复的模式排列，但这种材料仍然是刚性的。玻璃也是如此，它是一种由固定原子组成的无定形物质，表现得像固体，但仔细观察，更像是凝固在时间里的液体。

“玻璃已经存在了数千年，”纽约大学物理学和数学教授丹尼尔·斯坦说。“化学家理解他们。从物理学的角度来看，我们不了解它们。为什么它们是刚性的？”

即使是像冰川这样的晶体固体也会抗拒分类，因为它们的原子可以流动，尽管速度很慢。有时反过来也似乎是正确的：如果你从足够高的冰川上跳下，会感觉海洋僵硬。那么，液体和固体的区别是什么呢？

准晶体中的原子模式，如铝-钯-锰表面的这个模型，显示出有序，但从不重复。法国和美国的物理学家正在为这个基本问题提出新的答案。正如美国数学学会通告发表的一篇文章中所述，研究人员已经确定了两种材料的特征，这些特征在温度和压力的交叉点处显着改变形式，其中液体变为固体。物理学家说，这些特征可以定义两种物质状态之间的差异。

德克萨斯大学奥斯汀分校的数学物理学家查尔斯·拉丁和他的前学生大卫·阿里斯托夫现在是明尼苏达大学的数学家，他认为液体和固体之间的主要区别在于它们对剪切或扭曲的反应方式。军队。液体几乎不会受到剪切，很容易被甩掉，而固体 - 无论是晶体，准晶体还是玻璃 - 都不会试图改变它们的形状

因此，液固相变，Radin和Aristoff原因应该通过材料从零跳到正值的“剪切响应”来标记。他们观察到二维模型材料的这种跳跃，其中原子由圆盘表示：在对应于材料液相的低密度下，它对剪切没有反应，但是当磁盘密集包装时，如固体中的原子，剪切导致材料膨胀。“显示这种效应的交叉正是系统变为结晶的密度，”Radin说。“我们认为这是一种理解固体是什么的不同方式。”

剪切响应效应通常被物理学家的计算方式所掩盖。为了识别材料的相界（它从固体到液体到气体的过渡曲线），它们必须通过假装材料太大而几乎没有边缘来简化它们的方程式。不幸的是，这种简化忽略了材料的形状，使得难以确定形状是否会随着剪切而变化。

在数学上不能很好地理解液/固相转变。Radin和Aristoff的创新是在将材料处理为无边缘之前计算它们的二维模型对剪切的响应。对于所有材料而言，这种更为棘手的逆序计算尚未得到解决，但该方法“非常有趣并且可能非常有用”，斯坦说。

与此同时，法国的物理学家采用了一种不同但相关的方法，推断固体和液体之间的差异就是它们流动的速度。玻璃虽然是固体，但据信流动非常缓慢。结晶固体中的单个原子，甚至是钻石，可以在缺陷或晶格中的空斑之间跳跃。

研究人员通过比较固体和液体的粘度或对随时间变化的剪切的响应来区分固体和液体的流速。（例如，蜂蜜是比水更粘稠的液体。）对于结晶固体的二维模型，他们发现当剪切变得非常小时，晶体的粘度变得很大。巴黎CEA理论物理研究所的朱利奥·比罗利说，看到一颗钻石在地球引力的作用下流动，“人们可能会等待超过宇宙的年龄”。

相反，即使剪切接力近零，普通液体也表现出低粘度。

研究人员假设，玻璃会在结晶固体和液体之间的某处落下，在小剪切下表现出大而有限的粘度。其他物理学家已经表明，预测对于模型玻璃系统是正确的，尽管尚未通过实验进行测试。

“我们的方式是互补的，”Biroli说，美国和法国的方法。“如果我们同时采用它们，我认为我们开始理解固体和液体之间的区别。”

许多尺寸范围广泛的材料都具有玻璃相，包括（从左上角顺时针）：合金，胶体，肥料颗粒和啤酒泡沫。比利时-法国数学物理学家、经典统计力学教科书的作者戴维鲁尔表示，对固体和液体的严格理解，可能有助于预测金属玻璃等新材料的行为。金属玻璃在电子和纳米石版印刷中有应用。但在一个固体和液体占主导地位的世界里，“有一个基本的了解是很好的，”鲁尔说。“我不会说这些东西很快就能给你带来一百万美元。”

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0406/658.html