這個故事最初由 內幕科學新聞服務釋出。
(ISNS) – 對通常的玻璃生產過程進行改動，例如使材料承受應力，會引入一些即使在材料硬化後仍然存在的效應。雖然製造商長期以來一直在利用這種現象來增強玻璃的強度，但一項新理論旨在更深入地瞭解其發生的原因。
玻璃不像大多數材料那樣被充分理解，因為它介於液體和固體之間。在典型的晶體材料中，當物質從無序的液態形式凝固時，分子會在整個材料的範圍內組裝成一個固定的結構。另一方面，玻璃即使在硬化後也會保留類似液體的無序狀態。
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如果沒有固定的結構，這些無序的分子特別容易受到外力的影響。如果您推或拉一種物質，就會在材料本身內部產生內力或應力。一旦您移除該力，您會期望分子恢復到平衡狀態，從而消除應力。但玻璃材料會“記住”早已消失的力。
物理學家正在試圖理解玻璃分子如何永久保留這種殘餘應力。“材料的性質取決於材料的生產方式，”德國科隆康斯坦茨大學和空間材料物理研究所的物理學家托馬斯·沃伊特曼說。“這是一個相當引人入勝的理解主題。”
在一篇被《物理評論快報》接受發表的論文中，沃伊特曼和他的合作者透過觀察單個原子的運動如何影響整個複雜系統，用物理學術語描述了玻璃的殘餘應力。但工程師們已經在利用玻璃的歷史依賴性——不需要理論物理學。
應力有助於玻璃抵抗損壞。透過將其納入製造過程，紐約州康寧公司的工程師可以賦予通常脆弱的材料超強的強度。他們的大猩猩玻璃產品現在構成了 1000 多種不同裝置的螢幕，從智慧手機到平板電腦再到電視。
為了避免在材料中產生缺陷，康寧公司透過機械方式製造大型平板大猩猩玻璃。在過程中，熔融玻璃由其頂部邊緣懸掛，不接觸人手或任何其他東西。儘管這些薄板具有穩定性，但它們無法防止未來的損壞……但尚未如此。下一步是對玻璃施加應力，壓縮其分子以增強材料並使其能夠抵抗缺陷。
將未完成的大猩猩玻璃切割成適當的尺寸後，將其浸泡在熔融的鉀鹽溶液中。這個過程將玻璃中的小鈉離子浸出，並用較大的鉀離子替換它們。大的粒子從外向內擠壓薄板，壓縮材料。這會產生兩層向內擠壓的外層，朝向中心層，該中心層透過向外推來平衡內力。
“您會獲得應力和張力的平衡，”康寧公司的高階應用工程師馬庫斯·海恩斯解釋道。“有一層壓縮應力層，然後是中心張力層，玻璃想要向外擠壓，然後是另一層壓縮應力層。”
壓縮玻璃表面使其更堅固，能夠抵抗撞擊和劃痕，而不是立即破裂。
“即使您損壞了玻璃，缺陷也包含在該壓縮應力層內，”海恩斯詳細說明道。“它不允許缺陷擴大。”為了打破大猩猩玻璃螢幕，缺陷必須穿透壓縮層並進入張力層。
雖然大猩猩玻璃的成分也有助於材料承受損壞，但應力才是其能力的關鍵。即使其創造者不瞭解其確切的分子行為，它也能發揮作用。但科學家們仍然想了解更多。
“我們正在努力為解釋其工作原理以及如何改進它提供一些指導——這是長期目標，”沃伊特曼說。“我們正在努力做的是為經驗法則提供理論物理學的解釋。”
為了形成這個解釋，科學家們使用了理論物理學和實驗。分子相互作用特別難以觀察，因為它們發生在如此小的尺度上。研究人員沒有放大到分子水平，而是利用了一種玻璃替代品：膠體。膠體是一種物質，其顆粒懸浮在溶液中。例如，常見的膠體油漆由懸浮在液體中的固體顏料組成。
“這些膠體的作用就像原子，”沃伊特曼解釋道。“它是一個模型系統，在許多方面都像窗玻璃一樣，但它是放大的尺度：膠體足夠大，可以在顯微鏡下觀察。”
研究人員將膠體置於應力下，然後透過顯微鏡觀察它們的行為。這促使他們開發了一種物理理論，解釋了為什麼熔融玻璃中的力會保持在材料中。
儘管該理論準確地模擬了研究人員在實驗中觀察到的行為，但對玻璃的理解仍然是一個“激烈爭論”的話題，沃伊特曼說。