液态玻璃团簇中椭球粒子的位置和取向。
玻璃是人类日常生活中最普通的材料之一，但它的真正本质仍然是一个谜，科学家对其化学和物理特性的探索从未中断。在化学和物理学中，“玻璃”是一个可变概念，它既是我们熟知的窗户玻璃，也包含了具有类玻璃行为的其他材料，如金属、塑料、蛋白质，甚至生物细胞。
玻璃给人的固有印象是固体。然而，它并不是传统意义中的固体。通常情况下，当一种物质从液体转变为固体时，分子会排列形成晶体图案。而在玻璃中，分子在结晶之前就被有效冻结了。这种奇怪的无序状态是玻璃的标志性特征。科学家们一直希望弄清楚这种亚稳态的确切形成过程。
phys.org网站当地时间1月5日报道，德国康斯坦茨大学化学系教授Andreas Zumbusch和物理系教授Matthias Fuchs领导的跨学科小组使得玻璃难题的复杂性再次升级。
研究人员发现了一种新的物质状态——液态玻璃。在液态玻璃中，单个粒子能够移动，但无法旋转。这种复杂行为此前并未在块状玻璃中出现过。相关研究成果刊登在《美国国家科学院院刊》中。
胶体悬浮液是含有大于等于微米级固体颗粒的混合物或液体。这些固体颗粒比原子或分子大，非常适合用光学显微镜进行研究。胶体悬浮液在玻璃研究者中备受推崇，因为它有许多类玻璃现象。迄今为止，大部分胶体悬浮液实验中使用的颗粒都是球形胶体。然而，大多数的自然和技术系统是由非球形粒子组成的。
Andreas Zumbusch等人用聚合化学方法制造了塑料椭球，然后将它们放入合适的溶剂中。Zumbusch解释：“由于形状独特，粒子取向与球形粒子取向相反，这催生了全新的复杂行为。”随后，研究人员改变了悬浮液中的粒子浓度，并使用共聚焦显微镜跟踪粒子的平移和旋转运动。Zumbusch说：“在特定的粒子密度下，定向运动冻结，而平移运动持续进行，产生特殊玻璃态，粒子就此聚集形成取向相似的局部结构。”
研究人员表示，这种“液态玻璃”是聚集的粒子团簇相互阻碍并调节长程空间关联的结果。上述因素阻碍了液晶形成，破坏了热力学预期中的全局有序状态。
实际上，研究人员观察到了两种玻璃相变——规则相变与非平衡相变。两者既相互作用，又相互竞争。Fuchs说：“从理论角度来看，这是非常有趣的。我们的实验为分析临界波动和玻璃阻滞之间的相互作用提供了证据。”此前，液态玻璃的存在一直只是假设。
研究人员展望道，类似的动力学或许也适用于其他玻璃系统。这也许能帮助科学家研究横跨微观（生物）和宏观（宇宙）尺度的复杂系统和分子行为，并对液晶器件的发展产生积极影响。
原创编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵
期刊来源：《美国国家科学院院刊》
期刊编号：0027-8424
原文链接：https://phys.org/news/2021-01-state-liquid-glass.html
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