德學者發現新物質形態 稱為「液體玻璃」

玻璃是常見的建築材料,但當中仍然有神秘之處等待人類發現。最新刊於《美國國家科學院期刊 (PNAS) 》的研究指,從玻璃的液態和固態之間的轉變中,確定到一種新的物質狀態並稱之為「液體玻璃」,並在微觀水平上表現出前所未有的行為。

研究顯示,液體玻璃為一種均勻混合物,似乎存在於固態和類似凝膠的膠體 (colloid) 之間,具有微小但仍大於原子和分子且易於研究的微粒子。

有参與研究的德國康斯坦茨大學物理學與天文學系助理教授 Matthias Fuchs 表示,從理論上以言發現非常令人感興趣;實驗亦證明臨界波動 (critical fluctuations) 和玻璃阻滯之間的相互作用,這是學界一直在研究的問題。

當材料從液態轉變為固態時,其分子通常會排成一行,形成一種晶體模式。對於玻璃而言卻並非如此,對於玻璃和類似玻璃的材料,在變成固態時分子會被鎖定或凍結成無序狀態,這亦是物理學家如此熱衷於分析和解構玻璃的原因。

膠體於液體玻璃的情況。 Credit: Roller, J. & et al. (2021).

在液體玻璃中,團隊注意到膠體能夠移動,但不能旋轉,亦比正常固態玻璃中的分子具有更大柔韌性。

這些膠體是橢圓形而非標準球形,所以能容易觀察到這些鎖定狀態的膠體粒子如何旋轉。團隊又發現,膠體以相似的方向成簇地聚集一起,然後在整個材料內部互相阻塞。

康斯坦茨大學物理化學教授 Andreas Zumbusch 解釋,由於粒子形狀特別並具有定向性,與球形粒子相反,令團隊可觀察到全新、以前未被研究過的複雜粒子行為。

團隊又測試了液體玻璃中不同濃度的粒子、追蹤其移動和旋轉能力。他們發現,在濃度較高的情況下,這些粒子會阻止彼此旋轉,但仍可移動並形成液態玻璃狀態。

Zumbusch指出,在特定的粒子密度下,定向運動停止,而平移運動保持不變,導致粒子聚集形成具有相似定向的局部結構的玻璃狀態。

研究顯示,液體玻璃實際上是兩種互相競爭的液態至固態過渡的互動作用,形成了有不同性質的混合物。粒子的形狀和濃度似乎對於製造液體玻璃是關鍵。

來源:
Science Alert, Physicists Have Observed an Entirely New State of Matter Called 'Liquid Glass', 7 January 2021

報告:
Roller, J., Laganapan, A., Meijer, J. & et al. (2021). Observation of liquid glass in suspensions of ellipsoidal colloids. PNAS January 19, 2021 118 (3) e2018072118. doi: 10.1073/pnas.2018072118

文/Alan Chiu

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