玻璃看起來(lái)很簡(jiǎn)單，你或許覺(jué)得很普通，其實(shí)它是一種非常奇怪的材料，甚至是一個(gè)難以置信的謎。
玻璃絕對(duì)是一個(gè)物理學(xué)之謎，自從人類在幾千年前第一次遇到它以來(lái)，就一直無(wú)法理解。
原因是:玻璃不是普通的固體，但它也不是液體。它介于兩者之間，是一種奇怪的混合物，一種稱為非晶態(tài)固體的物質(zhì)。
非晶態(tài)固體又稱無(wú)定形體或玻璃體。其內(nèi)部原子或分子的排列無(wú)周期性，如同液體那樣雜亂無(wú)章地分布，可以理解為過(guò)冷的液體。
最近，科學(xué)家的一項(xiàng)突破使我們比以往任何時(shí)候都更接近于了解玻璃表面下發(fā)生了什么，這要?dú)w功于一種新的算法，這可以幫助預(yù)測(cè)玻璃對(duì)溫度的依賴性。
這個(gè)項(xiàng)突破能幫助我們更快、更好發(fā)現(xiàn)新材料，并理解玻璃整體上是如何以這種奇怪的方式存在的。
玻璃是無(wú)定形的，沒(méi)有平衡結(jié)構(gòu)，所以它不斷地通過(guò)分子的緩慢運(yùn)動(dòng)變化。
由于在分子水平上的這些運(yùn)動(dòng)，玻璃從來(lái)沒(méi)有形成固體的理想狀態(tài)，在理想狀態(tài)下原子會(huì)排列成有序的、可預(yù)測(cè)的晶體結(jié)構(gòu)。
理論上，如果有足夠的時(shí)間，玻璃或許有一天會(huì)到達(dá)理想狀態(tài)，但由于原子過(guò)程非常緩慢，這將需要非常長(zhǎng)的時(shí)間，科學(xué)家們認(rèn)為，這個(gè)時(shí)間會(huì)超過(guò)數(shù)百年。
另一個(gè)困難是溫度。硅基玻璃和其他非晶態(tài)玻璃材料（如聚合物），也非常容易受到溫度變化的影響，這使得實(shí)現(xiàn)它們的理想狀態(tài)變得更加不可能。
熱是引發(fā)所謂玻璃化轉(zhuǎn)變的因素之一，在玻璃化轉(zhuǎn)變中，受熱的非晶態(tài)固體在冷卻時(shí)從堅(jiān)硬的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦褚后w的粘性形態(tài)。
這是一個(gè)很酷而且是可逆的過(guò)程，但它是另一個(gè)讓不同種類玻璃的物理特性難以確定的東西。
由于玻璃的非晶態(tài)和無(wú)序特性，它的性能會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生很大的變化，這使得預(yù)測(cè)它的物理行為變得極其困難。
材料科學(xué)的挑戰(zhàn)之一是設(shè)計(jì)方法來(lái)模擬不同種類的玻璃材料在加熱時(shí)的行為。然而，由于玻璃無(wú)序和可變結(jié)構(gòu)的分子復(fù)雜性，運(yùn)行這類計(jì)算需要很長(zhǎng)時(shí)間。
然而，通過(guò)一種利用粗粒度(CG)建模的新算法，研究人員表示，他們能夠?qū)⑦@個(gè)過(guò)程加快大約一千倍。
研究人員的能量重整算法并沒(méi)有試圖計(jì)算每個(gè)原子的位置和分子鍵，而是試圖計(jì)算原子簇，從而對(duì)影響系統(tǒng)的熵和焓有更廣泛的認(rèn)識(shí)。
用三種不同的玻璃態(tài)聚合物(聚丁二烯、聚苯乙烯和聚碳酸酯)測(cè)試了他們的方法，結(jié)果表明，粗粒度模擬與這些材料在現(xiàn)實(shí)世界中的行為精確相符。
研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
