在玻璃形成過(guò)程中，類似液體那種不規(guī)則的排列，究竟是怎么被固定下來(lái)的？對(duì)于這個(gè)懸而未決的問(wèn)題，呼和浩特中空玻璃發(fā)現(xiàn)科學(xué)家們提出了許多理論來(lái)解釋。1959年，美國(guó)芝加哥大學(xué)的科學(xué)家科恩等提出了自由體積理論。該理論認(rèn)為液體中存在著許多原子排布所必需體積之外的多余體積，這些體積可以無(wú)需附加能量而重新分布，因此被稱為自由體積。隨著液體溫度的降低，原子所擁有的自由體積逐漸降低，當(dāng)自由體積降低到某個(gè)臨界值以下時(shí)，玻璃即形成。

但如何嚴(yán)格定義并對(duì)自由體積加以測(cè)量實(shí)際上做不到。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的模態(tài)耦合理論被認(rèn)為是描述玻璃轉(zhuǎn)變最有用的理論。模態(tài)耦合理論的物理圖像可以歸結(jié)為“籠子效應(yīng)”：

液體中的每個(gè)粒子都位于由其近鄰粒子所形成的籠子里，籠子的壽命隨溫度的降低而增加。溫度接近某個(gè)臨界溫度時(shí)，籠子的壽命將趨于無(wú)限大。在具有高流動(dòng)性能的液體中，粒子除了在籠子中作常規(guī)的振動(dòng)和隨機(jī)“游動(dòng)”外，其所在的籠子位置也同時(shí)隨著周圍粒子的重排而改變，即粒子除了在籠子中振動(dòng)外，還將改變其所在的籠子作隨機(jī)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)，籠子的壽命無(wú)限大，使得液態(tài)凍結(jié)成玻璃時(shí)，因?yàn)榛\子的囚禁和限制，其粒子的無(wú)序排列狀態(tài)被保存下來(lái)。除了這些理論之外，科學(xué)家們?cè)谠囼?yàn)中也對(duì)這個(gè)問(wèn)題有一些發(fā)現(xiàn)。

美國(guó)物理學(xué)家凱爾頓及其團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的早期實(shí)驗(yàn)顯示，原子以有序結(jié)構(gòu)聚集在一起可形成島狀物。這些島狀物似乎可以阻止液體變成固體，讓液體保持一種較為混亂的狀態(tài)。但對(duì)于島狀物如何發(fā)揮作用或者是否所有玻璃中都存在這種現(xiàn)象，研究人員并沒(méi)有達(dá)成一致。英國(guó)布里斯托大學(xué)的帕特里克·羅亞爾等人在實(shí)驗(yàn)中，為了觀察微觀玻璃原子的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，利用較大的膠體微粒模擬玻璃原子，并用高倍顯微鏡進(jìn)行觀察。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些粒子形成的凝膠因?yàn)闃?gòu)成了二十面體結(jié)構(gòu)而無(wú)法形成結(jié)晶。玻璃態(tài)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用及其相關(guān)研究已經(jīng)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史并且取得了豐碩的成就，然而，有關(guān)玻璃態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)和基本規(guī)律仍存在諸多問(wèn)題值得人們繼續(xù)深入思考。也許在不久的將來(lái)，關(guān)于玻璃如何形成、如何流動(dòng)，科學(xué)家會(huì)給我們一個(gè)滿意的答案。隨著這些問(wèn)題的解答，將會(huì)帶來(lái)更多新的玻璃材料，改變我們的生活。

注：文章玻璃如何流動(dòng)的幾種推測(cè)轉(zhuǎn)載自知乎，分享給更多的玻璃行業(yè)人士和想要了解玻璃的人們。