玻璃科学与玻璃化

玻璃科学研究熔体如何通过足够快的冷却避免结晶而凝固成无定形固体，以及由此产生的随机网络如何决定玻璃的性质。

Definition

玻璃化是指通过足够快的冷却使液体绕过结晶并在玻璃化转变时凝固，从而形成玻璃——一种缺乏长程有序的无定形固体；玻璃科学研究此类材料的结构、形成和性质。

Scope

本主题涵盖玻璃的形成和结构：过冷液体通过玻璃化转变进行玻璃化，描述二氧化硅等网络形成氧化物如何构建连续但不规则框架的随机网络模型，以及网络改性剂和中间体在调节粘度、膨胀和耐久性方面的作用。它还涉及玻璃形成能力、玻璃化转变温度以及光学玻璃和化学玻璃的化学基础。

Core questions

• 当液体玻璃化成玻璃时，结构上发生了什么？
• 哪些氧化物形成玻璃网络，改性剂的作用是什么？
• 什么决定了熔体是形成玻璃还是结晶？
• 玻璃化转变与熔化有何不同？

Key concepts

• 无定形固体
• 网络形成体、改性剂和中间体
• 玻璃化转变温度
• 过冷液体
• 玻璃形成能力
• 随机网络

Key theories

玻璃的随机网络理论

扎卡里亚森提出，玻璃由与相应晶体中相同的多面体组成的连续三维网络构成，但连接方式没有长程周期性，并提出了识别哪些氧化物可以形成此类网络的规则。

玻璃化转变与过冷液体

当玻璃形成熔体冷却时，粘度急剧上升，液体在玻璃化转变时脱离平衡，冻结成无定形固体；该转变是一个动力学而非热力学事件，其温度取决于冷却速率。

Mechanisms

当玻璃形成熔体冷却时，结晶所需的原子重排相对于冷却速率变得过慢；粘度急剧增加，无序的液体结构被动力学冻结，从而产生无定形网络而非有序晶体。

Clinical relevance

玻璃科学是光学玻璃和光纤、容器玻璃和平板玻璃、化学耐用实验室玻璃器皿以及用于密封和电子产品的特种玻璃的基础；网络化学的控制决定了每种应用所需的折射率、热膨胀和化学耐久性。

History

塔曼（Tammann）在20世纪初的研究确立了玻璃的过冷液体性质。扎卡里亚森（Zachariasen）于1932年提出的随机网络理论为哪些氧化物可以形成玻璃以及它们的网络如何排列提供了结构基础，从而构建了现代玻璃科学，该科学将网络化学与玻璃的光学、热学和机械行为联系起来。

Key figures

• William Houlder Zachariasen
• Gustav Tammann

Seminal works

• zachariasen1932
• shelby2005

Frequently asked questions

熔化与玻璃化转变有何区别？

熔化是在固定温度下晶体变为液体的尖锐平衡转变。玻璃化转变是过冷液体在一定温度范围内逐渐动力学冻结成无定形固体，该温度范围取决于材料的冷却速度。

为什么二氧化硅能如此容易地形成玻璃？

二氧化硅由共角四面体构成，这些四面体可以连接成连续网络而无需长程有序。其键合强且有方向性，因此重排成晶体速度缓慢，即使适度的冷却速率也能将无序网络冻结成玻璃。