左图中，二维材料表现为液态，在起始温度(右图)以下过渡到更类似固态的行为。

玻璃看起来和感觉像是完美有序的固体，但近距离观察，它的粒子排列混乱得更像是一个定格在时间中的自由落体液体的混乱状态。

被称为非晶态固体的材料在这种状态下无法轻易解释。涉及计算和模拟的新研究正在揭示一些线索。特别是，它表明在液体和固体状态之间存在一种我们不知道的重新排列。

加州大学伯克利分校的科学家Dimitrios Fraggedakis、Muhammad Hasyim和Kranthi Mandadapu指出，在过冷液体和固体的温度边界上存在一种行为，静态粒子保持兴奋状态，原地“抽搐”。

我们在日常生活中熟悉的物质基本上有三种状态：固体、液体和气体，或者说蒸汽。每种状态都由它们的粒子与周围环境之间的关系来定义。

当其中一种状态转变为另一种状态时，例如固体融化为液体，或液体蒸发为气体，这被称为相变。

但物质要比这三种基本状态复杂得多。例如，原子可以变得非常热，以至于它们的电荷分离形成等离子体。冷却下来，某些类别的粒子可以完全失去自身特征，融合成量子模糊状态。

非晶态固体是有序固体和松散液体的奇怪混合物。在固体内部，粒子在适当低温下一旦锁定在位，它们倾向于与邻近的粒子形成可预测的连接，而非晶态固体则具有液体的无序排列。

这些看似杂乱无章的连接如何从粘稠的分子流转变为静态的景象，原理并不明显。

以玻璃作为最熟悉的例子，它的组成元素氧和硅在加热时会流动。慢慢冷却，这些粒子有时间形成一个有序的晶体结构，称为石英。如果快速冷却，粒子以某种方式保持无序排列；这是它成为非晶态固体的临界温度，也是它发生的温度。

Fraggedakis、Hasyim和Mandadapu利用计算和模拟，结合过去实验的结果，确定这种转变可能并不那么简单，存在一种特殊的活动，粒子处于正常液体和过冷液体状态之间。

Mandadapu解释说：“我们的理论预测了模型系统中测量到的临界温度，并解释了为什么在该温度附近过冷液体的行为与固体相似，尽管它们的结构与液体相同。玻璃动力学的临界温度就像是一个‘融化’温度，将过冷液体融化成液体。这对于所有过冷液体或玻璃系统都是相关的。”

黄色区域显示的是高于起始温度(左图)的流动性更强的分子，当过冷时(右图)，这些分子会过渡到更坚硬的状态，即蓝色区域。

尽管过冷液体中的原子整体流动几乎为零，但粒子在原地不断改变配置，产生被称为激发的运动。研究人员将这些激发视为结晶固体中的缺陷，并计算了温度变化时会发生什么。

他们发现，激发的束缚对在临界温度解除束缚，导致材料失去其刚性，表现为正常液体的行为。

该团队认为他们的模型可以扩展到理解三维中的转变如何发生，并为未来的实验工作提供理论基础。Mandadapu说：“整个探索的目标是从微观上理解过冷液体和高温液体之间的区别。”

这项研究已发表在《美国国家科学院院刊》上。

本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。

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