環(huán)球時(shí)訊：科學(xué)家讓玻璃“返老還童”

從高聳入云的摩天大樓，到小巧精致的計(jì)時(shí)腕表，玻璃的身影在生活中處處可見(jiàn)。

全國(guó)兩會(huì)召開(kāi)前，全國(guó)人大代表、中國(guó)工程院院士、中國(guó)建材集團(tuán)總工程師、中建材玻璃新材料研究總院院長(zhǎng)彭壽接受記者采訪時(shí)說(shuō)，要大力推動(dòng)玻璃工業(yè)節(jié)能降碳，讓中國(guó)的玻璃行業(yè)“向綠而行”。

事實(shí)上，玻璃不僅要“向綠而行”，也有望“返老還童”——隨著服役時(shí)間增加，玻璃會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象，并通常伴隨著物理、力學(xué)等性能的劣化。如何使老化的玻璃態(tài)物質(zhì)“返老還童”，恢復(fù)性能，近年來(lái)得到科學(xué)界越來(lái)越多的關(guān)注。

(資料圖片)

2022年底，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員蔣敏強(qiáng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究，揭示了嚴(yán)重老化的金屬玻璃的年輕化新機(jī)制，加深了對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)年輕化的理解，相關(guān)研究成果發(fā)表在由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)主管、主辦的多學(xué)科英文期刊《基礎(chǔ)研究》（Fundamental Research）。

玻璃老化：從無(wú)序向有序緩慢轉(zhuǎn)變

要讓玻璃“返老還童”，首先要理解玻璃是如何“變老”的。

蔣敏強(qiáng)介紹，從微觀上看，玻璃是一種無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。他給記者舉了一個(gè)例子：在鋼鐵等晶態(tài)固體中，原子如同安靜地坐在教室里上課的學(xué)生，排列井然有序，呈現(xiàn)出規(guī)則形態(tài)。而在玻璃這一無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體中，原子就好比下課后的學(xué)生一樣，在校園里四處亂跑，排列上呈現(xiàn)出無(wú)序狀態(tài)。

玻璃老化這一現(xiàn)象，從本質(zhì)上看便是玻璃從初始形成時(shí)的無(wú)序狀態(tài)，向有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。“一般來(lái)說(shuō)，無(wú)序狀態(tài)下物質(zhì)的總能量較高，而在有序狀態(tài)下，物質(zhì)的總能量較低。隨著時(shí)間的推進(jìn)，玻璃會(huì)逐漸從高能量狀態(tài)向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這個(gè)過(guò)程一般被稱為玻璃老化。”蔣敏強(qiáng)解釋，如果老化時(shí)間足夠長(zhǎng)，或者通過(guò)升溫加速老化，玻璃甚至可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸?guī)則結(jié)構(gòu)的固態(tài)晶體。

玻璃老化會(huì)影響玻璃的韌性、光學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)電性能等許多屬性，是人們想要極力延緩甚至避免的一種現(xiàn)象。因此，作為逆轉(zhuǎn)玻璃老化的過(guò)程，玻璃年輕化長(zhǎng)期以來(lái)受到科研人員的廣泛關(guān)注。

“玻璃年輕化即玻璃老化的反過(guò)程，也就是讓老化后原子變得相對(duì)有序的玻璃慢慢重新回歸原子相對(duì)無(wú)序的狀態(tài)。”蔣敏強(qiáng)說(shuō)。在此前關(guān)于玻璃年輕化的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，年輕化的玻璃在被加熱到一定溫度時(shí)會(huì)釋放出一部分熱焓，且玻璃的年輕化程度越高，在加熱中釋放的熱焓就越多。熱焓是表征物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個(gè)重要狀態(tài)參量。通俗地說(shuō)，熱焓是年輕化的玻璃在加熱過(guò)程中釋放出的能量。

“我們的研究認(rèn)為，上述觀點(diǎn)并不適用于嚴(yán)重老化的玻璃。嚴(yán)重老化的玻璃隨著年輕化程度的提高，其熱焓的放出并無(wú)變化，甚至完全沒(méi)有熱焓放出。”蔣敏強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的研究表明，此前關(guān)于玻璃老化機(jī)制的觀點(diǎn)并不適用于嚴(yán)重老化的玻璃，更新了人們對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)年輕化機(jī)制的理解。

“無(wú)心插柳”：研究結(jié)果出人意料

“其實(shí)此次研究的突破，源于我們研究團(tuán)隊(duì)一次‘無(wú)心插柳’的嘗試。”蔣敏強(qiáng)說(shuō)，此次實(shí)驗(yàn)的最初目的只是制備實(shí)驗(yàn)樣品。“我們團(tuán)隊(duì)原本是為了做另一個(gè)實(shí)驗(yàn)而制備樣品。為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，需要消除樣品的熱歷史，保證它們結(jié)構(gòu)一致。我們對(duì)玻璃樣品進(jìn)行低溫退火操作——將金屬玻璃緩慢加熱到一定溫度并保持足夠時(shí)間，然后以一定速度冷卻到室溫。”隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)力學(xué)變形對(duì)這批處于嚴(yán)重老化狀態(tài)的玻璃進(jìn)行年輕化處理。結(jié)果出人意料——“我們明明通過(guò)力學(xué)做功向玻璃輸入了能量，為何這些玻璃沒(méi)有釋放出熱焓，變得年輕化呢？”這與此前的主流觀點(diǎn)可謂是背道而馳。

這個(gè)結(jié)果讓研究團(tuán)隊(duì)陷入疑惑。為了解開(kāi)謎團(tuán)，除了測(cè)量熱焓之外，研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)量了玻璃樣品的高溫（450K—750K）和低溫（1.9K—100K）比熱，進(jìn)而考察玻璃的原子振動(dòng)信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。“在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管在一些情況下玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變前的熱焓釋放這一參數(shù)保持不變，但玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的有效熱焓變化以及低溫比熱所體現(xiàn)出的原子振動(dòng)玻色峰這兩個(gè)物理量卻會(huì)隨之改變。”蔣敏強(qiáng)進(jìn)一步解釋，“這表明，熱焓釋放并非唯一反映玻璃年輕化的物理量。”

談到熱焓釋放為何保持不變時(shí)，蔣敏強(qiáng)再次用生動(dòng)的例子解釋：“如果我們將一個(gè)小球放在‘凹’字形平面的凹處，這個(gè)小球自然會(huì)保持原地靜止。這種穩(wěn)定的狀態(tài)就好比嚴(yán)重老化的玻璃。而假如我們把這個(gè)‘凹’字形平面傾斜一些角度，雖然凹處的高度，也就是玻璃態(tài)物質(zhì)的能量水平幾乎保持不變，但小球所代表的玻璃狀態(tài)會(huì)變得不穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)了玻璃年輕化現(xiàn)象。”

研究結(jié)果表明，除了此前的主流觀點(diǎn)指出的，玻璃年輕化可以直接體現(xiàn)在熱焓的釋放，也就是能量水平的提高上，還可以體現(xiàn)為能量面的傾斜，也就是通過(guò)局域結(jié)構(gòu)重排使自由體積在空間內(nèi)重新分布。“這也就是我們發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重老化的玻璃態(tài)物質(zhì)年輕化新機(jī)制。”蔣敏強(qiáng)表示。

拓展場(chǎng)景：提供廣闊應(yīng)用空間

此次研究還發(fā)現(xiàn)，隨著玻璃進(jìn)入穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，上述表征年輕化的三個(gè)物理參數(shù)都會(huì)各自趨于飽和值，從而首次在實(shí)驗(yàn)上確定玻璃結(jié)構(gòu)年輕化的上限是“凍結(jié)”的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)。

如果用水來(lái)類比，在高溫中形成液體的玻璃就好比水，而低溫固體化的玻璃則好比冰。“玻璃結(jié)構(gòu)年輕化的極限，就是通過(guò)極速降溫使高溫玻璃液體突然凍結(jié)，從而形成類似‘凍住的流水’的物質(zhì)狀態(tài)。”蔣敏強(qiáng)解釋，“在這種情況下，玻璃會(huì)在固態(tài)外表下，保持與液體狀態(tài)幾乎相同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，其流動(dòng)性會(huì)達(dá)到目前認(rèn)識(shí)中的極限。”

此次研究揭示的玻璃態(tài)物質(zhì)年輕化新機(jī)制，除了讓我們更好地從物理本質(zhì)上理解玻璃老化的相關(guān)成因、過(guò)程之外，在推動(dòng)老化玻璃批量返新方面，也有著巨大的潛在應(yīng)用空間。“研究團(tuán)隊(duì)目前正在與從事玻璃生產(chǎn)或研發(fā)的企業(yè)交流，力圖尋找推動(dòng)技術(shù)走向市場(chǎng)的良好結(jié)合點(diǎn)。”

除此之外，蔣敏強(qiáng)還發(fā)現(xiàn)，此次研究揭示的新機(jī)制也有望應(yīng)用在制備先進(jìn)金屬材料上。

“通常來(lái)說(shuō)，金屬材料的強(qiáng)度與韌性二者不可得兼。隨著強(qiáng)度的提升，韌性就會(huì)降低，反之亦然。”蔣敏強(qiáng)表示，“如何克服這一固有的倒置關(guān)系，是制備兼具強(qiáng)度與韌性的先進(jìn)金屬材料必須面對(duì)的問(wèn)題。”

高強(qiáng)度的金屬材料，其微觀層面上的總能量水平一般是非常低的。如果通過(guò)加溫等方法輸入能量，嘗試通過(guò)提高總能量水平來(lái)提升金屬材料的韌性，往往需要極高的能量投入，而這幾乎不可能達(dá)成。

“假如我們能利用此次研究發(fā)現(xiàn)的新機(jī)制，在總能量水平較低時(shí)調(diào)整金屬材料的能量面角度，就能在保持宏觀上強(qiáng)度不變的前提下，提升原子的無(wú)序性，從而增強(qiáng)金屬材料的韌性。通過(guò)這種方法，我們可以有效避免巨額的能量輸入，極大地降低高強(qiáng)韌金屬材料制備的成本。”蔣敏強(qiáng)表示，目前他的團(tuán)隊(duì)正在持續(xù)進(jìn)行嘗試，力爭(zhēng)取得決定性的突破，為解決長(zhǎng)期以來(lái)金屬材料強(qiáng)度與韌性之間不可調(diào)和的矛盾提供新思路。