真相還是虛構?:玻璃是一種(過冷)液體

中世紀的窗戶正在融化嗎?

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在中世紀的歐洲大教堂中,玻璃有時看起來很奇怪。有些玻璃板底部比頂部厚。看似堅固的玻璃似乎融化了。導遊、網際網路謠言甚至高中化學老師都說,這證明玻璃實際上是一種液體。而且,由於玻璃很硬,它一定是一種過冷液體。

然而,玻璃實際上既不是液體(無論是否過冷),也不是固體。它是一種非晶態固體——介於這兩種物質狀態之間的狀態。然而,玻璃的類液態特性不足以解釋底部較厚的窗戶,因為玻璃原子的移動速度太慢,以至於無法看到變化。

固體是高度組織化的結構。威斯康星大學麥迪遜分校的化學教授馬克·埃迪格解釋說,它們包括晶體,如糖和鹽,它們的數百萬個原子排列成一排。“液體和玻璃沒有那種秩序,”他指出。玻璃雖然比液體更有序,但沒有達到晶體的剛性秩序。“非晶態意味著它沒有長程秩序,”埃迪格說。“對於固體——如果你抓住它,它會保持它的形狀,”他補充道。


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當製造玻璃時,材料(通常含有二氧化矽)從液態快速冷卻,但當其溫度降至熔點以下時不會凝固。在這個階段,該材料是一種過冷液體,是液體和玻璃之間的中間狀態。為了成為一種非晶態固體,材料進一步冷卻,低於玻璃化轉變溫度。過了這一點,材料原子的分子運動幾乎停止,該材料現在是玻璃。這種新結構不像晶體那樣有序,因為它沒有凍結,但它比液體更有序。埃迪格說,對於實際用途,例如盛飲料,玻璃就像固體一樣,儘管是無序的。

像液體一樣,這些無序的固體可以流動,儘管非常緩慢。埃迪格解釋說,經過很長一段時間,構成玻璃的分子會移動,以穩定成更穩定的、類似晶體的結構。玻璃越接近其玻璃化轉變溫度,它移動得越多;離該轉變點越遠,其分子移動得越慢,看起來越像固體。

然而,無論玻璃如何流動,都不能解釋為什麼一些古老的窗戶底部較厚。其他,甚至更古老的玻璃也沒有相同的融化外觀。事實上,紐約州康寧市康寧玻璃博物館的古董玻璃研究員羅伯特·布里爾說,古埃及的器皿沒有這種下垂現象。此外,埃迪格補充說,大教堂的玻璃不應該流動,因為它比其玻璃化轉變溫度低幾百度。一個數學模型顯示,室溫下的大教堂玻璃需要比宇宙存在的時間更長的時間才能重新排列成融化的樣子。

為什麼舊的歐洲玻璃一端較厚,可能取決於玻璃的製造方式。那時,玻璃吹制工製造出玻璃圓筒,然後將其壓平以製成玻璃板。由此產生的碎片可能從未完全平坦,而安裝窗戶的工人出於某種原因,更喜歡將玻璃板的較厚一側放在底部。這使它們看起來像是融化的,但這並不意味著玻璃是一種真正的液體。

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