前沿科技之美科學(xué)家將制造懸浮金屬液滴揭開(kāi)玻璃之謎

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據(jù)美國(guó)《生活科學(xué)》雜志報(bào)道,美國(guó)物理學(xué)家正在制造一個(gè)中子靜電懸浮室,用于將一滴液態(tài)金屬懸浮在半空中,進(jìn)而觀察金屬液滴冷卻成玻璃過(guò)程中的原子活動(dòng). 懸浮室將幫助科學(xué)家揭開(kāi)玻璃謎團(tuán).玻璃是一種令人迷惑不解的形態(tài),物質(zhì)屬性更接近液體而不是固體.通過(guò)懸浮室實(shí)驗(yàn),物理學(xué)家希望進(jìn)一步了解物質(zhì)從液體變成 玻璃過(guò)程中原子到底發(fā)生了什么.
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    我們通常簡(jiǎn)單地認(rèn)為,玻璃就是安裝在窗戶上的東西,但實(shí)際上,玻璃也是一種物質(zhì)形態(tài),就像氣態(tài),、液態(tài)或者固態(tài)一樣.所有液體都能變成玻璃,只是難易程度不同罷了.美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯分校物理學(xué)家肯尼斯·凱爾頓表示:“4000年前,生活在美索不達(dá)米亞的人就開(kāi)始使用玻璃,但我們至今仍不了解液體如何變成玻璃的過(guò)程.這是最有趣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程之一.”

* Z; l% p5 C$ v3 j5 Q; M8 }    此次研究中使用的液體為金屬,例如鈦,、鋯、鎳,、鉑以及合金(兩種或更多種金屬的混合物).如果能夠快速冷卻,這些液態(tài)金屬也能變成玻璃,而不是固體.關(guān)鍵的問(wèn)題是必須讓這些液態(tài)金屬處于不與容器等其他物質(zhì)接觸的狀態(tài).使用容器更容易讓液態(tài)金屬變成固態(tài)而不是玻璃.為了進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn),液態(tài)金屬必須在真空中漂浮,不接觸其他任何東西.這也就是為什么要使用懸浮室.

5 Q+ `. O* o3 o: |) Z    中子靜電懸浮室造價(jià)165萬(wàn)美元,制造完畢后將在美國(guó)田納西州橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室投入使用.項(xiàng)目組領(lǐng)導(dǎo)人凱爾頓及其同事——橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和田納西州大學(xué)的江上武(Takeshi Egami)、愛(ài)荷華州大學(xué)的艾倫·高曼以及橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的王勛利(Xun-li Wang,音譯)——希望能夠在大約3年內(nèi)完成制造并投入使用.

2 M% d. z! H8 B1 I& m+ @' p    懸浮室將使用電極誘導(dǎo)金屬液滴表面的電荷.在此之后,電磁場(chǎng)將負(fù)責(zé)讓液滴在一個(gè)點(diǎn)上保持懸浮狀態(tài).橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的另一臺(tái)機(jī)器“散變中子源”將產(chǎn)生中子束,目標(biāo)直指懸浮液滴.(中子是原子核中的電中性亞原子粒子)研究人員計(jì)劃讓中子擔(dān)任光線的“替身”,形成一個(gè)中子顯微鏡用以研究液體.穿過(guò)液滴過(guò)程中,中子能夠與液滴中的原子發(fā)生相互作用.當(dāng)中子在液滴另一面出現(xiàn)時(shí),它們會(huì)因液滴中的原子排列呈現(xiàn)出一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu).

    凱爾頓說(shuō):“我們希望懸浮室實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)槲覀兲峁┯嘘P(guān)液體中從未被研究的東西的信息.如果原子在液體中移動(dòng),我們能夠通過(guò)中子穿過(guò)的方式了解這種移動(dòng).”在室溫下以固態(tài)存在的金屬必須被置于高溫環(huán)境以保持液態(tài).研究人員計(jì)劃采用激光束照射液體樣本以保持加熱狀態(tài),而后調(diào)整激光束能量進(jìn)而調(diào)節(jié)溫度,讓液態(tài)金屬冷卻成玻璃.

; k0 h2 s& l5 N% E* k6 [7 W1 b    物理學(xué)家希望在不同形態(tài)下比較金屬的微觀結(jié)構(gòu),以確定哪些因素決定形態(tài)差異.凱爾頓表示:“如果對(duì)從液體變成玻璃的結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行觀察,我們就能發(fā)現(xiàn)差異,但這種差異非常微妙.”

    固體擁有組織非常嚴(yán)密的結(jié)構(gòu),原子有規(guī)則地排列并且不斷重復(fù),就像是一個(gè)個(gè)積木.隨著時(shí)間流逝,這種結(jié)構(gòu)仍比較穩(wěn)定.相比之下,液體中的原子排列則較為混亂,以不斷變化的不規(guī)則結(jié)構(gòu)聚集在一起.從表面上看,玻璃更像是固體,但內(nèi)部原子排列卻更接近液體.它們也會(huì)發(fā)生變化,只是速度比固體更為緩慢,這也就是為什么舊玻璃靠近底部的地方更厚.隨著時(shí)間推移,玻璃的一些區(qū)域在引力作用下向下 “滲漏”,但這一過(guò)程非常緩慢,很難被觀察到.
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' m: y5 w  z2 m: z9 Z' P- q. O( W    物理學(xué)家表示,雖然玻璃中的原子在一定程度上隨機(jī)排列,但它們實(shí)際上要比表面看起來(lái)更為穩(wěn)定.絕大多數(shù)原子可能被它們的鄰居禁錮在一定位置,對(duì)于移動(dòng)的原子來(lái)說(shuō),其周?chē)�的原子也不得不發(fā)生移動(dòng).因此,玻璃流動(dòng)的唯一原因就是內(nèi)部大量原子的共同移動(dòng).

    凱爾頓及其團(tuán)隊(duì)在懸浮室進(jìn)行的早期實(shí)驗(yàn)顯示,原子以有序結(jié)構(gòu)聚集在一起可形成島狀物.這些島狀物似乎可以干擾在固體中形成的更大結(jié)構(gòu),它們的存在阻止液體變成固體,讓液體保持一種較為混亂的狀態(tài).但對(duì)于島狀物如何發(fā)揮作用或者所有玻璃中是否都存在這種現(xiàn)象,研究人員并沒(méi)有達(dá)成一致意見(jiàn).他們希望未來(lái)的懸浮室實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┬戮�索.
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