科学家在解开玻璃的“大科学”结构之谜方面取得突破性进展

据外媒报道，玻璃是我们每天最常见的物体之一，但这种非金属和非液体材料的详细结构一直是科学界的一大谜团。一个由香港城市大学科学家共同领导的研究小组成功地发现，非晶态和晶态的金属玻璃具有相同的结构构块。而正是这些构件之间的连接性区分了材料的晶态和非晶态。这些发现阐明了对玻璃结构的理解。

玻璃是一种非晶无机非金属材料，在日常生活中有着广泛的实用和技术用途。除了用于窗户的钠钙玻璃，还有许多其他类型的玻璃，如金属玻璃。玻璃相材料是神秘而特殊的：在外面，材料表现得像固体，但在里面，它却像液体一样无序地出现。所以它的结构长期以来一直是科学研究的重点。

由香港城市大学物理系主任、讲座教授王迅礼教授共同领导的研究小组，发现了玻璃固体与晶体固体之间的结构联系，这对了解非晶态材料的详细结构是一个突破。这项工作发表在《自然-材料》上，题目是 "连接非晶态和晶态的中程结构图案"。

"玻璃的结构一直是一个巨大的科学挑战，"王教授说。

与由被称为晶胞的基本构件的周期性堆叠（长程有序）组成的晶体固体不同，玻璃材料没有长程有序。但是玻璃材料在短程（2-5 Å）和中程（5-20 Å），甚至更长的长度尺度上都有有序结构。然而，由于材料的无定形性质导致缺乏对比，科学家很难通过实验确定中程秩序的性质。因此，在中程或更长的长度尺度上，无定形材料和其晶体对应物之间是否存在任何结构联系，仍然是一个科学上的谜。使问题进一步复杂化的是，无定形材料往往会结晶为不同成分的相，具有非常不同的基本结构块。

为了克服这一挑战，研究小组通过精确控制金属玻璃（钯-镍-磷合金）在高温下的加热，捕获了一个中间结晶相。

该团队随后采用了不同的先进结构分析技术，包括高分辨率透射电子显微镜、高精度同步辐射X射线衍射和自动计算机图像分析。通过比较金属玻璃（合金）在无定形和中间结晶状态下的结构，研究小组发现两种形式的合金都有相同的构件，即由钯、镍和磷原子组成的 "六元三端三角棱镜簇(6M-TTP)"。研究小组还得出结论，正是这些团簇之间的连通性区分了晶态和非晶态。

“我们的实验研究表明，连接非晶态和晶态的结构构件，如Pd-Ni-P金属玻璃的三棱柱簇，很可能延伸到中程长度尺度，即几十Å的量级，这可能是非晶态材料的一个普遍特征。” 王教授说：“这一发现强烈地表明，玻璃的结构与其晶体对应物的区别主要在于结构构件的连接。”

研究人员认为，了解非晶态材料的分子结构对新材料的设计至关重要，因为结构决定性能。“我们的实验研究阐明了非晶态材料在扩展长度尺度上的结构。这将大大有助于我们弄清玻璃的结构，”王教授补充说。