三明治結構助力非晶研究

材料牛注：近日，美國西北太平洋國家實驗室的研究人員通過氣相沉積方法制備出一種獨特的三明治結構，其可以準確地記錄材料由玻璃態轉變為過冷液體態的溫度，這對研究玻璃（即非晶態）的基本性能具有重要的基礎意義。

說到玻璃，普通青年會想到窗戶，文藝青年會想到法國葡萄酒（瓶），而學材料的好青年則會想到非晶，也就是玻璃態無定型材料（以下簡稱玻璃）。

其實，玻璃對于我們的生活是很重要的。如果你是一名核物理學家，那么你一定知道存放核廢料的玻璃容器必須非常穩定，不然就會造成放射性元素泄露事故；如果你是一名醫生，那么你一定知道藥物都有服用有效期，這是因為超過有效期后藥物就會從無定形態轉變成晶態，很難在體內溶解，從而喪失了藥效；如果你是一枚吃貨，那么你一定知道在吃冰淇淋剛打開紙盒包裝的時候，冰淇淋表面會形成結晶，這大大影響了口感。你看，玻璃的重要性不言而喻了吧！

學過晶體學或者材料科學基礎的人都知道，玻璃是一種亞穩態材料，它具有固體的力學性能，但卻沒有晶體材料那樣的長程有序結構。為了得到玻璃的無序結構，材料必須在液態快速冷卻至足夠低的溫度，使得分子沒有足夠的時間和能量達到晶體那樣的能量最低點，這個溫度就是玻璃轉變溫度（Tg）,它跟實驗條件和冷卻速率有關。隨著溫度的升高，玻璃逐漸由穩定玻璃態轉變成過冷液體，然后結晶。

最近，西北太平洋國家實驗室的博士生Smith等人在The Journal of Physical Chemistry Letters期刊上報道了一個他們關于玻璃的重大發現。他們利用氣相沉積技術，把中間夾有氪氣層的兩種玻璃形成材料甲苯和乙苯沉積在溫度為30K的表面，這樣當材料接觸低溫表面的時候就會形成玻璃，此時就形成了如圖所示的三明治結構，在兩個玻璃中間的氪氣層就會受到束縛而不能釋放。然后，對結構進行升溫，玻璃就會轉變成過冷液體，而與此同時，中間層的氣體就得以釋放。因此，中間層氣體釋放時的溫度就是玻璃轉變成過冷液體的溫度。

同時，Smith等人還進行了沉積表面溫度從40K到130K的實驗，他們發現，玻璃的穩定性與沉積表面的溫度有很大關系。無論對于甲苯還是乙苯，都是在沉積溫度稍低于Tg點幾K時形成的玻璃穩定性最高，也最難轉化成過冷液體。

這項工作的最大亮點就是可以通過調節沉積表面的溫度來控制形成玻璃的穩定性，這對于研究玻璃的基本性能具有重要的基礎意義。

原文參考地址：Scientists Find The Temperature at Which Glass Becomes Liquid

感謝材料人編輯部劉萍提供素材