研究人员使用X射线发现玻璃中的结构状态

玻璃制作的手工艺可以及时延伸。超过五千年前，人类学会了如何制作玻璃。即使在这一发现之前，人类也一直在使用自然存在的玻璃进行工具。

尽管有悠久而丰富的历史和广泛使用玻璃，但令人惊讶的是，对于玻璃的机械性能及其内部结构之间的相互作用知之甚少。阿姆斯特丹大学（荷兰）和DESY的研究人员首次监测了由微观二氧化硅球制成的玻璃中的微妙结构变化，它们暴露于剪切应力。科学家使用Desy的Petra III X射线源的独特实验设置，发现了玻璃中共存的结构状态，并将其与其流动行为相关联。该研究发表在《科学报告》杂志上（doi：10.1038/srep01631）。

眼镜是可以从流体状态过渡到非富玻璃状态的物质。与水从液体中冻结成有序的固体不同，玻璃相可以保持类似流体的结构，几乎没有顺序。然而，在玻璃状状态下，材料变得高度粘稠甚至坚硬。包括金属合金，聚合物和胶体在内欧洲杯足球竞彩的许多其他材料表现出液态玻璃的过渡。该研究的第一一位作者来自阿姆斯特丹大学的彼得·舍尔（Peter Schall）小组。

Model for more complex systems

In their study, Denisov and his colleagues prepared a glass from silicon dioxide, or silica. They added silica spheres that were a mere fifty-millionths of a millimeter in diameter to water. Much like fat particles in milk, the spheres are dispersed throughout the water, forming what is known as a colloid. When the spheres make up 58% of the entire volume, the dispersion's motion arrests – the colloid is in its glassy phase. For smaller volume fractions, the colloid remains in its liquid state. "Our spherical silica beads all have approximately the same diameter and the glass can be mathematically described rather easily," Denisov explains. "Hence, our system is a good starting point for modeling more complex systems with a liquid-glass transition."

研究人员特别有兴趣研究一种称为“剪切束带”的现象。当它们通过平行于彼此平行的水平层剪切玻璃时，玻璃中的应力响应分为两个区域或带，其中颗粒以不同的速度移动。欧洲杯猜球平台Denisov说：“剪切带长期以来一直闻名。可以通过共聚焦显微镜使不同的频带可见，机械测量表明样品中发生了一些事情。”“但是，当我们检查不同带中粒子之间的相互作用时，我们发现相互作用是相同的。实际上，两个频段之间的结构差异是欧洲杯猜球平台如此之小，以至于人们最初认为它们不存在。”为了证明，研究团队转向了一种更敏感的方法。

独特的实验设置

At PETRA's experimental station P10, the researchers filled their sample between two horizontal plates. One of the plates was stationary while the other was rotated to shear the sample. With this setup, called a rheometer, the scientists tracked the glass' mechanical response, including changes in its viscosity. Simultaneously, PETRA's intense X-ray beam traveled through the sample, examining its inner structure. When X-rays scatter off particles inside a sample, they form a characteristic scattering pattern behind it, from which researchers can gain knowledge of the sample's structural order and the average particle-particle distances. "When we altered the shear rate in our experiment, we were able to see how the average distance between silica spheres in the glass varied," says DESY scientist Bernd Struth. "These structural changes have never been seen before."

实验者成功的关键是该设置的独特几何形状，Struth与Desy工程师Daniel Messner一起设计。Petra Lightsource在水平面上发出X射线。但是，必须垂直探测液体样品，因为必须水平放置它们，以防止它们滴下设置。X射线不容易被镜子重定向，而是独特的光学元件会使光束偏转，从而使样品沿垂直方向横穿样品。斯特鲁斯指出：“玻璃的结构变化很小。”“只有当我们平均在少量样本中，我们才能精确地衡量它们，这只能在我们的几何形状中实现。”

研究人员确定胶体玻璃中的剪切应力会导致较高的结构顺序，并增加颗粒之间的垂直距离。欧洲杯猜球平台因此，悬浮液的层相互滑动，因此可以促进样品中的剪切流。Struth说：“通常，您希望样品中的剪切应力随施加的剪切速率而增加。”实际上，这是研究人员开始越来越快地旋转流变仪的板块时所观察到的。“然而，高于一定的剪切速率，玻璃的机械响应不再发生变化。当我们继续提高剪切速率时，剪切应力保持恒定，直到我们达到第二个不同的剪切速率，高于该剪切速率，高于该应力再次变得更大。”恒定应力区域的解释是剪切带。Denisov解释说：“在该地区，两个具有不同速度和粘性的乐队共存。”“频带随着剪切速率动态变化，但是当我们测量样品中的剪切应力时，平均在两个频段上，应力是恒定的。”

Small changes, big effect

但是，在剪切带区域结构上到底发生了什么？Denisov说：“我们从X射线散射获得的结构参数与机械观测值相关。两个频段中的顺序和平均粒子粒子距离是不同的，这表明两个不同的结构并存。”“以前的研究表明，在不同的频段中，结构可能是相同的。我们证明事实并非如此。”由于观察到的结构变化很小，因此在早期研究中尚未解决。

通常，研究人员确定胶体玻璃中的微小结构变化对其流动行为具有很大的影响。对于实验中最小的剪切速率，玻璃的粘度比最大的剪切速率大的粘度大了一千倍。相比之下，相同范围内观察到的结构变化仅小于3％。Denisov总结说：“微观尺度上的玻璃结构的小变化对应于宏观尺度上的机械性能的巨大变化。”

"Our methodology enabled us to observe structural modifications in a glassy state that we know relatively little about," Struth emphasizes. "The new data can be used in simulations that will improve our understanding of such systems." Given the variety of systems with a liquid-glass transition and the widespread use of glasses in human culture, gaining insights into the intimate link between structure and flow behavior of glasses is an exciting perspective.

来源：http://www.desy.de