【博科園-科學(xué)科普（關(guān)注“博科園”看更多）】每個(gè)人都知道水在攝氏零度結(jié)冰。如果不是這樣的話，地球上的生命會(huì)大不相同。然而水的表哥二氧化硅，在冷卻的過程中表現(xiàn)出不穩(wěn)定的行為，這一直困擾著科學(xué)家們。與水不同，二氧化硅(SiO2)不容易結(jié)冰。當(dāng)液態(tài)硅冷卻時(shí)，它的原子不能排列成有序晶體。相反當(dāng)溫度下降時(shí)，液體狀態(tài)甚至比名義的凍結(jié)溫度低得多。這種現(xiàn)象叫做過冷。最終原子被簡(jiǎn)單地鎖定在任何地方，保持了液體的結(jié)構(gòu)紊亂。由此產(chǎn)生的凝固的物質(zhì)——機(jī)械的固體，但顯微鏡下的液體——是一個(gè)玻璃。

模擬結(jié)果揭示了二氧化硅玻璃形成的起源，圖片版權(quán)： 2018 HAJIME TANAKA, INSTITUTE OF INDUSTRIAL SCIENCE, THE UNIVERSITY OF TOKYO

由于二氧化硅是地球上最豐富的化合物之一，所以它對(duì)玻璃形成的偏好有著重大的影響。在某些方面，二氧化硅和水是相同的，它們具有相似的四面體對(duì)稱的協(xié)調(diào)幾何，而且它們都顯示出在一定溫度下變低密度的異常傾向，但在加壓的時(shí)候會(huì)有更多的液體。它們甚至顯示出類似的晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)硅可以被誘導(dǎo)進(jìn)入凍結(jié)。最近東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的線索，那就是為什么水和二氧化硅會(huì)在變冷的時(shí)候變得如此明顯。在發(fā)表在PNAS上的一項(xiàng)研究中，他們的模擬揭示了原子在液體狀態(tài)下的結(jié)晶過程中對(duì)稱排列的影響。事實(shí)證明原子在水中的排列是正確的，而不是硅。

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當(dāng)液體冷卻時(shí)，秩序從隨機(jī)性中產(chǎn)生，因?yàn)樵泳奂赡Ｊ健娜魏螁蝹€(gè)原子的角度來看，當(dāng)它的鄰居聚集在一起時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一系列的同心殼。在水和二氧化硅中，第一個(gè)外殼(分別是O或Si原子)在形狀上是四面體，一個(gè)定向排列的例子，或“對(duì)稱斷裂”。關(guān)鍵的區(qū)別是第二殼結(jié)構(gòu)。對(duì)于水它仍然是按照定向排列的，但是對(duì)于二氧化硅，第二層是隨機(jī)地到處亂涂，幾乎沒有定向的順序。在水中，局部有序的結(jié)構(gòu)是冰的前體；這就是H2O的四面體晶體。在液體狀態(tài)下的定向排列或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱斷裂解釋了水為什么如此容易結(jié)冰。然而在過冷的二氧化硅中，由于定向排列的缺乏，使得玻璃的形成變得容易。換句話說，在二氧化硅的液體結(jié)構(gòu)中，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱更難打破，而且具有更少的定向性。

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研究人員通過比較兩種物質(zhì)的結(jié)合來解釋這種差異。水由單個(gè)的H2O分子組成，由強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合而成，但通過較弱的氫鍵相互作用。水的穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)限制了原子的自由，導(dǎo)致水的定向性高。然而二氧化硅沒有分子形態(tài)，原子以一種較不定向的方式結(jié)合，導(dǎo)致方向性差。證明了水和硅之間的宏觀差異起源于微觀世界的結(jié)合，希望將這一原理推廣到其他物質(zhì)，如液態(tài)碳和硅，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上與水和硅類似。最終的目標(biāo)是發(fā)展出一個(gè)關(guān)于玻璃形成者與晶體形成者的不同之處的一般理論，而這是迄今為止科學(xué)家們一直未能做到的。