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(ISNS) – 对通常的玻璃生产过程进行改动，例如使材料承受应力，会引入一些即使在材料硬化后仍然存在的效应。虽然制造商长期以来一直在利用这种现象来增强玻璃的强度，但一项新理论旨在更深入地了解其发生的原因。
玻璃不像大多数材料那样被充分理解，因为它介于液体和固体之间。在典型的晶体材料中，当物质从无序的液态形式凝固时，分子会在整个材料的范围内组装成一个固定的结构。另一方面，玻璃即使在硬化后也会保留类似液体的无序状态。
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如果没有固定的结构，这些无序的分子特别容易受到外力的影响。如果您推或拉一种物质，就会在材料本身内部产生内力或应力。一旦您移除该力，您会期望分子恢复到平衡状态，从而消除应力。但玻璃材料会“记住”早已消失的力。
物理学家正在试图理解玻璃分子如何永久保留这种残余应力。“材料的性质取决于材料的生产方式，”德国科隆康斯坦茨大学和空间材料物理研究所的物理学家托马斯·沃伊特曼说。“这是一个相当引人入胜的理解主题。”
在一篇被《物理评论快报》接受发表的论文中，沃伊特曼和他的合作者通过观察单个原子的运动如何影响整个复杂系统，用物理学术语描述了玻璃的残余应力。但工程师们已经在利用玻璃的历史依赖性——不需要理论物理学。
应力有助于玻璃抵抗损坏。通过将其纳入制造过程，纽约州康宁公司的工程师可以赋予通常脆弱的材料超强的强度。他们的大猩猩玻璃产品现在构成了 1000 多种不同设备的屏幕，从智能手机到平板电脑再到电视。
为了避免在材料中产生缺陷，康宁公司通过机械方式制造大型平板大猩猩玻璃。在过程中，熔融玻璃由其顶部边缘悬挂，不接触人手或任何其他东西。尽管这些薄板具有稳定性，但它们无法防止未来的损坏……但尚未如此。下一步是对玻璃施加应力，压缩其分子以增强材料并使其能够抵抗缺陷。
将未完成的大猩猩玻璃切割成适当的尺寸后，将其浸泡在熔融的钾盐溶液中。这个过程将玻璃中的小钠离子浸出，并用较大的钾离子替换它们。大的粒子从外向内挤压薄板，压缩材料。这会产生两层向内挤压的外层，朝向中心层，该中心层通过向外推来平衡内力。
“您会获得应力和张力的平衡，”康宁公司的高级应用工程师马库斯·海恩斯解释道。“有一层压缩应力层，然后是中心张力层，玻璃想要向外挤压，然后是另一层压缩应力层。”
压缩玻璃表面使其更坚固，能够抵抗撞击和划痕，而不是立即破裂。
“即使您损坏了玻璃，缺陷也包含在该压缩应力层内，”海恩斯详细说明道。“它不允许缺陷扩大。”为了打破大猩猩玻璃屏幕，缺陷必须穿透压缩层并进入张力层。
虽然大猩猩玻璃的成分也有助于材料承受损坏，但应力才是其能力的关键。即使其创造者不了解其确切的分子行为，它也能发挥作用。但科学家们仍然想了解更多。
“我们正在努力为解释其工作原理以及如何改进它提供一些指导——这是长期目标，”沃伊特曼说。“我们正在努力做的是为经验法则提供理论物理学的解释。”
为了形成这个解释，科学家们使用了理论物理学和实验。分子相互作用特别难以观察，因为它们发生在如此小的尺度上。研究人员没有放大到分子水平，而是利用了一种玻璃替代品：胶体。胶体是一种物质，其颗粒悬浮在溶液中。例如，常见的胶体油漆由悬浮在液体中的固体颜料组成。
“这些胶体的作用就像原子，”沃伊特曼解释道。“它是一个模型系统，在许多方面都像窗玻璃一样，但它是放大的尺度：胶体足够大，可以在显微镜下观察。”
研究人员将胶体置于应力下，然后通过显微镜观察它们的行为。这促使他们开发了一种物理理论，解释了为什么熔融玻璃中的力会保持在材料中。
尽管该理论准确地模拟了研究人员在实验中观察到的行为，但对玻璃的理解仍然是一个“激烈争论”的话题，沃伊特曼说。