【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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玻璃具有近似液態的特質,原子會以肉眼難以察覺的速度緩緩流動。

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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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這看起來有點可愛的東西,是西元一世紀左右羅馬帝國戰士的玻璃頭盔。(出處:Römisch-Germanisches Museum, Köln)

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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。

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在NASA的靜電懸浮儀中,一滴金屬漂浮空中。

  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 GlassLiveScience)、Glas(德文維基)

責任編輯:MissZoe

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3 thoughts on “【一頁物理】漂浮液珠看玻態

  • 2010 年 08 月 02 日 at 14:10:17
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    備註:
    此研究中的亞裔人士名字在其他中文新聞中大多有翻譯上的謬誤,Takeshi Egami在CiNii日文資料庫中,名為「江上毅」,非「江上武」。Xun-li Wang按其赴中國演講之資料,中文名應為「循禮」,而非「勛利」。

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    • 2010 年 08 月 02 日 at 21:20:36
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      中日韓的人名真的是外電編譯的一大痛腳。 MissZoe 辛苦了!

      Reply
  • 2010 年 08 月 03 日 at 00:03:23
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    幹嘛忽然這麼客氣,XD。

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