真相还是虚构?:玻璃是一种(过冷)液体

中世纪的窗户正在融化吗?

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在中世纪的欧洲大教堂中,玻璃有时看起来很奇怪。有些玻璃板底部比顶部厚。看似坚固的玻璃似乎融化了。导游、互联网谣言甚至高中化学老师都说,这证明玻璃实际上是一种液体。而且,由于玻璃很硬,它一定是一种过冷液体。

然而,玻璃实际上既不是液体(无论是否过冷),也不是固体。它是一种非晶态固体——介于这两种物质状态之间的状态。然而,玻璃的类液态特性不足以解释底部较厚的窗户,因为玻璃原子的移动速度太慢,以至于无法看到变化。

固体是高度组织化的结构。威斯康星大学麦迪逊分校的化学教授马克·埃迪格解释说,它们包括晶体,如糖和盐,它们的数百万个原子排列成一排。“液体和玻璃没有那种秩序,”他指出。玻璃虽然比液体更有序,但没有达到晶体的刚性秩序。“非晶态意味着它没有长程秩序,”埃迪格说。“对于固体——如果你抓住它,它会保持它的形状,”他补充道。


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当制造玻璃时,材料(通常含有二氧化硅)从液态快速冷却,但当其温度降至熔点以下时不会凝固。在这个阶段,该材料是一种过冷液体,是液体和玻璃之间的中间状态。为了成为一种非晶态固体,材料进一步冷却,低于玻璃化转变温度。过了这一点,材料原子的分子运动几乎停止,该材料现在是玻璃。这种新结构不像晶体那样有序,因为它没有冻结,但它比液体更有序。埃迪格说,对于实际用途,例如盛饮料,玻璃就像固体一样,尽管是无序的。

像液体一样,这些无序的固体可以流动,尽管非常缓慢。埃迪格解释说,经过很长一段时间,构成玻璃的分子会移动,以稳定成更稳定的、类似晶体的结构。玻璃越接近其玻璃化转变温度,它移动得越多;离该转变点越远,其分子移动得越慢,看起来越像固体。

然而,无论玻璃如何流动,都不能解释为什么一些古老的窗户底部较厚。其他,甚至更古老的玻璃也没有相同的融化外观。事实上,纽约州康宁市康宁玻璃博物馆的古董玻璃研究员罗伯特·布里尔说,古埃及的器皿没有这种下垂现象。此外,埃迪格补充说,大教堂的玻璃不应该流动,因为它比其玻璃化转变温度低几百度。一个数学模型显示,室温下的大教堂玻璃需要比宇宙存在的时间更长的时间才能重新排列成融化的样子。

为什么旧的欧洲玻璃一端较厚,可能取决于玻璃的制造方式。那时,玻璃吹制工制造出玻璃圆筒,然后将其压平以制成玻璃板。由此产生的碎片可能从未完全平坦,而安装窗户的工人出于某种原因,更喜欢将玻璃板的较厚一侧放在底部。这使它们看起来像是融化的,但这并不意味着玻璃是一种真正的液体。

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