【一頁物理】漂浮液珠看玻態

■ 約莫公元前四千年，美索不達米亞人就懂得用二氧化矽製造玻璃。這種美麗透明的東西，並不如表面上看起來那樣的呈現固態，而是自成一格，稱為「玻態」。至於到底什麼機制讓物質轉化成所謂的玻璃狀態，還留著一些謎團。

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?編譯 ∣ 高英哲

　　物理學家最近建造了一個懸浮氣室，把一滴液體停留在半空中，研究它的原子如何冷卻成玻璃狀態。這台機器應該能夠讓科學家揭開玻璃神秘的面紗。

　　我們大多數的人，大概都認為玻璃只不過是窗戶上的那片東西而已，但是實際上玻璃是一種物質狀態，就像氣態、液態跟固態那樣。所有的液體都能夠變成玻璃狀態，只是有些物質會比較容易而已。

什麼是玻態？

　　固態是一種非常井然有序的結構，原子以規律、重複的模式，像是堆積木一樣排列起來。這種結構在時光流逝之下，相對比較穩定。相反地，液態則是一團亂，原子以不均衡且變換無常的模式擠在一起。

　　玻璃是一種讓人感到迷惑的物理狀態，物質在玻璃狀態下，比較像是液體而非固體。玻璃看似凍結成固態，但實際上的排列方式卻比較像液態，因此排列方式也能夠有所改變，只是速度比液態要來得慢而已。

　　美國華盛頓大學物理學家凱爾頓 (Kenneth Kelton) 說，美索不答米亞的人們早在四千年前就在使用玻璃了，但是我們對於物質如何從液態轉化為玻態的過程，還是不怎麼瞭解。諾貝爾獎得主安德森 (Philip Anderson) 就曾經說過，玻璃轉化過程是固態物理研究裡，最深邃也最迷人的未解之題了。

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　　拿純水來做例子，純水結冰凝結成固態的冰點，在標準大氣壓下是攝氏零度，但是如果冷卻得夠快，水溫甚至可以降到攝氏零下四十二度。只是這種「超冰水」的平衡態極為脆弱，任何擾動都可能會讓它晶化成固態。

　　但是倘若你能讓純水冷卻到非常、非常低的溫度，又不觸發晶化作用的話，純水就會變成某種「水玻璃」。水玻璃的轉化溫度很難掌握，不過有研究指出大約是在攝氏零下一百零八度左右。

　　像是鈦、鋯、鎳、鉑等金屬或是合金，只要在液態下冷卻得夠快，也能形成玻態，而不是變成固態。關鍵在於要讓這些液體避免跟其他物質接觸，因為液體一旦跟容器之類的物質接觸，比較會變成固體而非玻璃。因此為了做這個實驗，就必須讓液態金屬懸浮在真空中，什麼都不能碰到。該是懸浮氣室上場的時候了。

懸浮半空

　　這台造價一百六十五萬美元的中子靜電懸浮室 (NESL) ，設在美國橡樹嶺國家實驗室。懸浮室利用電極，將電流導引到液態珠的表面，然後電磁場就會這滴液態懸浮在單一點上；再用另一台叫做「中子散裂源」的機器，製造出中子束，瞄準懸浮的液態滴打過去。當中子飛過液態珠時，會與液態珠的原子產生互動；中子從液態珠的另一頭跑出來的時候，也會因為液態珠原子的排列情況，展現出特定的模式。如果液態裡的原子有移動，就能夠從中子穿透出來的運動方向裡得知。

　　由凱爾頓跟他的同事江上毅 (Takeshi Egami) 、葛德曼 (Alan Goldman) 以及王循禮（Xun-li Wang）等人所領導的研究團隊，打算把中子當作照明燈，製造出某種中子顯微影像，藉此研究漂浮的液態珠。凱爾頓說，他們希望這台機器能夠在三年內上線運作，讓他們得以研究液態裡未所知悉的一些事情。

　　這些金屬在常溫下是固態，溫度要非常高才能保持在液態。研究團隊打算用雷射照射這些液態樣本，使其保持高溫，然後藉由調整雷射出來來控制溫度，讓液態轉為玻態，之後再比較不同狀態下的物質顯微結構，來找出到底兩者有何差異。

　　物理學家認為，雖然玻璃中的原子看似隨機排列，但實際上卻是比較固著在原地的，可能是被前後左右的原子鎖住了；一個原子要是想動，所有鄰近的原子也必須跟著動才行。因此雖然玻璃確實會流動，但是得要一大群原子一起動。

　　凱爾頓的研究團隊在先前的實驗中，發現當一大群原子以井然有序的型態聚合在一起時，會形成島狀結構。這些島狀結構似乎會干擾形成固態的結構，因此讓液態無法轉變成固態，仍然卡在結構亂糟糟的狀態。不過對於這些島狀結構的運作方式，並非所有人的看法都一致，也無法確定是否所有的玻璃都具有這種狀況。凱爾頓等人希望新一代的懸浮實驗，能夠提供一些新線索。

延伸閱讀：Scientists to Levitate Drops of Liquid to Study Glass（LiveScience）、Glas（德文維基）

責任編輯：MissZoe