前沿科技之美科学家将制造悬浮金属液滴揭开玻璃之谜

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据美国《生活科学》杂志报道,美国物理学家正在制造一个中子静电悬浮室,用于将一滴液态金属悬浮在半空中,进而观察金属液滴冷却成玻璃过程中的原子活动. 悬浮室将帮助科学家揭开玻璃谜团.玻璃是一种令人迷惑不解的形态,物质属性更接近液体而不是固体.通过悬浮室实验,物理学家希望进一步了解物质从液体变成 玻璃过程中原子到底发生了什么.

我们通常简单地认为,玻璃就是安装在窗户上的东西,但实际上,玻璃也是一种物质形态,就像气态、液态或者固态一样.所有液体都能变成玻璃,只是难易程度不同罢了.美国华盛顿大学圣路易斯分校物理学家肯尼斯·凯尔顿表示:“4000年前,生活在美索不达米亚的人就开始使用玻璃,但我们至今仍不了解液体如何变成玻璃的过程.这是最有趣的动力学过程之一.”

. B; {6 K8 m% R, D此次研究中使用的液体为金属,例如钛、锆、镍、铂以及合金(两种或更多种金属的混合物).如果能够快速冷却,这些液态金属也能变成玻璃,而不是固体.关键的问题是必须让这些液态金属处于不与容器等其他物质接触的状态.使用容器更容易让液态金属变成固态而不是玻璃.为了进行这种实验,液态金属必须在真空中漂浮,不接触其他任何东西.这也就是为什么要使用悬浮室.
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8 |5 V0 z# j; F3 o+ b中子静电悬浮室造价165万美元,制造完毕后将在美国田纳西州橡树岭国家实验室投入使用.项目组领导人凯尔顿及其同事——橡树岭国家实验室和田纳西州大学的江上武(Takeshi Egami)、爱荷华州大学的艾伦·高曼以及橡树岭国家实验室的王勋利(Xun-li Wang,音译)——希望能够在大约3年内完成制造并投入使用.
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悬浮室将使用电极诱导金属液滴表面的电荷.在此之后,电磁场将负责让液滴在一个点上保持悬浮状态.橡树岭国家实验室的另一台机器“散变中子源”将产生中子束,目标直指悬浮液滴.(中子是原子核中的电中性亚原子粒子)研究人员计划让中子担任光线的“替身”,形成一个中子显微镜用以研究液体.穿过液滴过程中,中子能够与液滴中的原子发生相互作用.当中子在液滴另一面出现时,它们会因液滴中的原子排列呈现出一种独特的结构.
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凯尔顿说:“我们希望悬浮室实验能够为我们提供有关液体中从未被研究的东西的信息.如果原子在液体中移动,我们能够通过中子穿过的方式了解这种移动.”在室温下以固态存在的金属必须被置于高温环境以保持液态.研究人员计划采用激光束照射液体样本以保持加热状态,而后调整激光束能量进而调节温度,让液态金属冷却成玻璃.
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; b* p3 m* ]2 N# K, v% M# [物理学家希望在不同形态下比较金属的微观结构,以确定哪些因素决定形态差异.凯尔顿表示:“如果对从液体变成玻璃的结构差异进行观察,我们就能发现差异,但这种差异非常微妙.”
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固体拥有组织非常严密的结构,原子有规则地排列并且不断重复,就像是一个个积木.随着时间流逝,这种结构仍比较稳定.相比之下,液体中的原子排列则较为混乱,以不断变化的不规则结构聚集在一起.从表面上看,玻璃更像是固体,但内部原子排列却更接近液体.它们也会发生变化,只是速度比固体更为缓慢,这也就是为什么旧玻璃靠近底部的地方更厚.随着时间推移,玻璃的一些区域在引力作用下向下 “渗漏”,但这一过程非常缓慢,很难被观察到.
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物理学家表示,虽然玻璃中的原子在一定程度上随机排列,但它们实际上要比表面看起来更为稳定.绝大多数原子可能被它们的邻居禁锢在一定位置,对于移动的原子来说,其周围的原子也不得不发生移动.因此,玻璃流动的唯一原因就是内部大量原子的共同移动.

' J( S, F0 o! j0 U凯尔顿及其团队在悬浮室进行的早期实验显示,原子以有序结构聚集在一起可形成岛状物.这些岛状物似乎可以干扰在固体中形成的更大结构,它们的存在阻止液体变成固体,让液体保持一种较为混乱的状态.但对于岛状物如何发挥作用或者所有玻璃中是否都存在这种现象,研究人员并没有达成一致意见.他们希望未来的悬浮室实验能够提供新线索.

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