◎實(shí)習記者 李詔宇 都 芃

　　從高聳入云的摩天大樓，到小巧精致的計時(shí)腕表，玻璃的身影在生活中處處可見(jiàn)。

　　全國兩會(huì )召開(kāi)前，全國人大代表、中國工程院院士、中國建材集團總工程師、中建材玻璃新材料研究總院院長(cháng)彭壽接受記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，要大力推動(dòng)玻璃工業(yè)節能降碳，讓中國的玻璃行業(yè)“向綠而行”。

　　事實(shí)上，玻璃不僅要“向綠而行”，也有望“返老還童”——隨著(zhù)服役時(shí)間增加，玻璃會(huì )產(chǎn)生老化現象，并通常伴隨著(zhù)物理、力學(xué)等性能的劣化。如何使老化的玻璃態(tài)物質(zhì)“返老還童”，恢復性能，近年來(lái)得到科學(xué)界越來(lái)越多的關(guān)注。

　　2022年底，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員蔣敏強團隊通過(guò)研究，揭示了嚴重老化的金屬玻璃的年輕化新機制，加深了對玻璃結構年輕化的理解，相關(guān)研究成果發(fā)表在由國家自然科學(xué)基金委員會(huì )主管、主辦的多學(xué)科英文期刊《基礎研究》（Fundamental Research）。

　　玻璃老化：從無(wú)序向有序緩慢轉變

　　要讓玻璃“返老還童”，首先要理解玻璃是如何“變老”的。

　　蔣敏強介紹，從微觀(guān)上看，玻璃是一種無(wú)規則結構的非晶態(tài)固體。他給記者舉了一個(gè)例子：在鋼鐵等晶態(tài)固體中，原子如同安靜地坐在教室里上課的學(xué)生，排列井然有序，呈現出規則形態(tài)。而在玻璃這一無(wú)規則結構的非晶態(tài)固體中，原子就好比下課后的學(xué)生一樣，在校園里四處亂跑，排列上呈現出無(wú)序狀態(tài)。

　　玻璃老化這一現象，從本質(zhì)上看便是玻璃從初始形成時(shí)的無(wú)序狀態(tài)，向有序狀態(tài)的轉變。“一般來(lái)說(shuō)，無(wú)序狀態(tài)下物質(zhì)的總能量較高，而在有序狀態(tài)下，物質(zhì)的總能量較低。隨著(zhù)時(shí)間的推進(jìn)，玻璃會(huì )逐漸從高能量狀態(tài)向低能量狀態(tài)轉變，這個(gè)過(guò)程一般被稱(chēng)為玻璃老化。”蔣敏強解釋?zhuān)绻匣瘯r(shí)間足夠長(cháng)，或者通過(guò)升溫加速老化，玻璃甚至可以轉變?yōu)榫哂幸巹t結構的固態(tài)晶體。

　　玻璃老化會(huì )影響玻璃的韌性、光學(xué)性質(zhì)、導電性能等許多屬性，是人們想要極力延緩甚至避免的一種現象。因此，作為逆轉玻璃老化的過(guò)程，玻璃年輕化長(cháng)期以來(lái)受到科研人員的廣泛關(guān)注。

　　“玻璃年輕化即玻璃老化的反過(guò)程，也就是讓老化后原子變得相對有序的玻璃慢慢重新回歸原子相對無(wú)序的狀態(tài)。”蔣敏強說(shuō)。在此前關(guān)于玻璃年輕化的研究中，研究人員發(fā)現，年輕化的玻璃在被加熱到一定溫度時(shí)會(huì )釋放出一部分熱焓，且玻璃的年輕化程度越高，在加熱中釋放的熱焓就越多。熱焓是表征物質(zhì)系統能量的一個(gè)重要狀態(tài)參量。通俗地說(shuō)，熱焓是年輕化的玻璃在加熱過(guò)程中釋放出的能量。

　　“我們的研究認為，上述觀(guān)點(diǎn)并不適用于嚴重老化的玻璃。嚴重老化的玻璃隨著(zhù)年輕化程度的提高，其熱焓的放出并無(wú)變化，甚至完全沒(méi)有熱焓放出。”蔣敏強團隊的研究表明，此前關(guān)于玻璃老化機制的觀(guān)點(diǎn)并不適用于嚴重老化的玻璃，更新了人們對玻璃結構年輕化機制的理解。

　　“無(wú)心插柳”：研究結果出人意料

　　“其實(shí)此次研究的突破，源于我們研究團隊一次“無(wú)心插柳”的嘗試。”蔣敏強說(shuō)，此次實(shí)驗的最初目的只是制備實(shí)驗樣品。“我們團隊原本是為了做另一個(gè)實(shí)驗而制備樣品。為了加強實(shí)驗的科學(xué)性，需要消除樣品的熱歷史，保證它們結構一致。我們對玻璃樣品進(jìn)行低溫退火操作——將金屬玻璃緩慢加熱到一定溫度并保持足夠時(shí)間，然后以一定速度冷卻到室溫。”隨后，研究團隊通過(guò)力學(xué)變形對這批處于嚴重老化狀態(tài)的玻璃進(jìn)行年輕化處理。結果出人意料——“我們明明通過(guò)力學(xué)做功向玻璃輸入了能量，為何這些玻璃沒(méi)有釋放出熱焓，變得年輕化呢？”這與此前的主流觀(guān)點(diǎn)可謂是背道而馳。

　　這個(gè)結果讓研究團隊陷入疑惑。為了解開(kāi)謎團，除了測量熱焓之外，研究團隊還測量了玻璃樣品的高溫（450K—750K）和低溫（1.9K—100K）比熱，進(jìn)而考察玻璃的原子振動(dòng)信息和拓撲結構信息。“在實(shí)驗過(guò)程中，研究團隊發(fā)現，盡管在一些情況下玻璃態(tài)轉變前的熱焓釋放這一參數保持不變，但玻璃態(tài)轉變過(guò)程中的有效熱焓變化以及低溫比熱所體現出的原子振動(dòng)玻色峰這兩個(gè)物理量卻會(huì )隨之改變。”蔣敏強進(jìn)一步解釋?zhuān)斑@表明，熱焓釋放并非唯一反映玻璃年輕化的物理量。”

　　談到熱焓釋放為何保持不變時(shí)，蔣敏強再次用生動(dòng)的例子解釋?zhuān)骸叭绻覀儗⒁粋€(gè)小球放在“凹”字形平面的凹處，這個(gè)小球自然會(huì )保持原地靜止。這種穩定的狀態(tài)就好比嚴重老化的玻璃。而假如我們把這個(gè)“凹”字形平面傾斜一些角度，雖然凹處的高度，也就是玻璃態(tài)物質(zhì)的能量水平幾乎保持不變，但小球所代表的玻璃狀態(tài)會(huì )變得不穩定，進(jìn)而出現了玻璃年輕化現象。”

　　研究結果表明，除了此前的主流觀(guān)點(diǎn)指出的，玻璃年輕化可以直接體現在熱焓的釋放，也就是能量水平的提高上，還可以體現為能量面的傾斜，也就是通過(guò)局域結構重排使自由體積在空間內重新分布。“這也就是我們發(fā)現的嚴重老化的玻璃態(tài)物質(zhì)年輕化新機制。”蔣敏強表示。

　　拓展場(chǎng)景：提供廣闊應用空間

　　此次研究還發(fā)現，隨著(zhù)玻璃進(jìn)入穩定流動(dòng)狀態(tài)，上述表征年輕化的三個(gè)物理參數都會(huì )各自趨于飽和值，從而首次在實(shí)驗上確定玻璃結構年輕化的上限是“凍結”的穩態(tài)流動(dòng)狀態(tài)。

　　如果用水來(lái)類(lèi)比，在高溫中形成液體的玻璃就好比水，而低溫固體化的玻璃則好比冰。“玻璃結構年輕化的極限，就是通過(guò)極速降溫使高溫玻璃液體突然凍結，從而形成類(lèi)似“凍住的流水”的物質(zhì)狀態(tài)。”蔣敏強解釋?zhuān)霸谶@種情況下，玻璃會(huì )在固態(tài)外表下，保持與液體狀態(tài)幾乎相同的物質(zhì)結構，其流動(dòng)性會(huì )達到目前認識中的極限。”

　　此次研究揭示的玻璃態(tài)物質(zhì)年輕化新機制，除了讓我們更好地從物理本質(zhì)上理解玻璃老化的相關(guān)成因、過(guò)程之外，在推動(dòng)老化玻璃批量返新方面，也有著(zhù)巨大的潛在應用空間。“研究團隊目前正在與從事玻璃生產(chǎn)或研發(fā)的企業(yè)交流，力圖尋找推動(dòng)技術(shù)走向市場(chǎng)的良好結合點(diǎn)。”

　　除此之外，蔣敏強還發(fā)現，此次研究揭示的新機制也有望應用在制備先進(jìn)金屬材料上。

　　“通常來(lái)說(shuō)，金屬材料的強度與韌性二者不可得兼。隨著(zhù)強度的提升，韌性就會(huì )降低，反之亦然。”蔣敏強表示，“如何克服這一固有的倒置關(guān)系，是制備兼具強度與韌性的先進(jìn)金屬材料必須面對的問(wèn)題。”

　　高強度的金屬材料，其微觀(guān)層面上的總能量水平一般是非常低的。如果通過(guò)加溫等方法輸入能量，嘗試通過(guò)提高總能量水平來(lái)提升金屬材料的韌性，往往需要極高的能量投入，而這幾乎不可能達成。

　　“假如我們能利用此次研究發(fā)現的新機制，在總能量水平較低時(shí)調整金屬材料的能量面角度，就能在保持宏觀(guān)上強度不變的前提下，提升原子的無(wú)序性，從而增強金屬材料的韌性。通過(guò)這種方法，我們可以有效避免巨額的能量輸入，極大地降低高強韌金屬材料制備的成本。”蔣敏強表示，目前他的團隊正在持續進(jìn)行嘗試，力爭取得決定性的突破，為解決長(cháng)期以來(lái)金屬材料強度與韌性之間不可調和的矛盾提供新思路。