◎實習(xi) 記者 李詔宇 都 芃

　　從(cong) 高聳入雲(yun) 的摩天大樓，到小巧精致的計時腕表，玻璃的身影在生活中處處可見。

　　全國兩(liang) 會(hui) 召開前，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彭壽接受記者采訪時說，要大力推動玻璃工業(ye) 節能降碳，讓中國的玻璃行業(ye) “向綠而行”。

　　事實上，玻璃不僅(jin) 要“向綠而行”，也有望“返老還童”——隨著服役時間增加，玻璃會(hui) 產(chan) 生老化現象，並通常伴隨著物理、力學等性能的劣化。如何使老化的玻璃態物質“返老還童”，恢複性能，近年來得到科學界越來越多的關(guan) 注。

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

　　玻璃老化：從(cong) 無序向有序緩慢轉變

　　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(cong) 微觀上看，玻璃是一種無規則結構的非晶態固體(ti) 。他給記者舉(ju) 了一個(ge) 例子：在鋼鐵等晶態固體(ti) 中，原子如同安靜地坐在教室裏上課的學生，排列井然有序，呈現出規則形態。而在玻璃這一無規則結構的非晶態固體(ti) 中，原子就好比下課後的學生一樣，在校園裏四處亂(luan) 跑，排列上呈現出無序狀態。

　　玻璃老化這一現象，從(cong) 本質上看便是玻璃從(cong) 初始形成時的無序狀態，向有序狀態的轉變。“一般來說，無序狀態下物質的總能量較高，而在有序狀態下，物質的總能量較低。隨著時間的推進，玻璃會(hui) 逐漸從(cong) 高能量狀態向低能量狀態轉變，這個(ge) 過程一般被稱為(wei) 玻璃老化。”蔣敏強解釋，如果老化時間足夠長，或者通過升溫加速老化，玻璃甚至可以轉變為(wei) 具有規則結構的固態晶體(ti) 。

　　玻璃老化會(hui) 影響玻璃的韌性、光學性質、導電性能等許多屬性，是人們(men) 想要極力延緩甚至避免的一種現象。因此，作為(wei) 逆轉玻璃老化的過程，玻璃年輕化長期以來受到科研人員的廣泛關(guan) 注。

　　“玻璃年輕化即玻璃老化的反過程，也就是讓老化後原子變得相對有序的玻璃慢慢重新回歸原子相對無序的狀態。”蔣敏強說。在此前關(guan) 於(yu) 玻璃年輕化的研究中，研究人員發現，年輕化的玻璃在被加熱到一定溫度時會(hui) 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。熱焓是表征物質係統能量的一個(ge) 重要狀態參量。通俗地說，熱焓是年輕化的玻璃在加熱過程中釋放出的能量。

　　“我們(men) 的研究認為(wei) ，上述觀點並不適用於(yu) 嚴(yan) 重老化的玻璃。嚴(yan) 重老化的玻璃隨著年輕化程度的提高，其熱焓的放出並無變化，甚至完全沒有熱焓放出。”蔣敏強團隊的研究表明，此前關(guan) 於(yu) 玻璃老化機製的觀點並不適用於(yu) 嚴(yan) 重老化的玻璃，更新了人們(men) 對玻璃結構年輕化機製的理解。

　　“無心插柳”：研究結果出人意料

　　“其實此次研究的突破，源於(yu) 我們(men) 研究團隊一次“無心插柳”的嚐試。”蔣敏強說，此次實驗的最初目的隻是製備實驗樣品。“我們(men) 團隊原本是為(wei) 了做另一個(ge) 實驗而製備樣品。為(wei) 了加強實驗的科學性，需要消除樣品的熱曆史，保證它們(men) 結構一致。我們(men) 對玻璃樣品進行低溫退火操作——將金屬玻璃緩慢加熱到一定溫度並保持足夠時間，然後以一定速度冷卻到室溫。”隨後，研究團隊通過力學變形對這批處於(yu) 嚴(yan) 重老化狀態的玻璃進行年輕化處理。結果出人意料——“我們(men) 明明通過力學做功向玻璃輸入了能量，為(wei) 何這些玻璃沒有釋放出熱焓，變得年輕化呢？”這與(yu) 此前的主流觀點可謂是背道而馳。

　　這個(ge) 結果讓研究團隊陷入疑惑。為(wei) 了解開謎團，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，進而考察玻璃的原子振動信息和拓撲結構信息。“在實驗過程中，研究團隊發現，盡管在一些情況下玻璃態轉變前的熱焓釋放這一參數保持不變，但玻璃態轉變過程中的有效熱焓變化以及低溫比熱所體(ti) 現出的原子振動玻色峰這兩(liang) 個(ge) 物理量卻會(hui) 隨之改變。”蔣敏強進一步解釋，“這表明，熱焓釋放並非唯一反映玻璃年輕化的物理量。”

　　談到熱焓釋放為(wei) 何保持不變時，蔣敏強再次用生動的例子解釋：“如果我們(men) 將一個(ge) 小球放在“凹”字形平麵的凹處，這個(ge) 小球自然會(hui) 保持原地靜止。這種穩定的狀態就好比嚴(yan) 重老化的玻璃。而假如我們(men) 把這個(ge) “凹”字形平麵傾(qing) 斜一些角度，雖然凹處的高度，也就是玻璃態物質的能量水平幾乎保持不變，但小球所代表的玻璃狀態會(hui) 變得不穩定，進而出現了玻璃年輕化現象。”

　　研究結果表明，除了此前的主流觀點指出的，玻璃年輕化可以直接體(ti) 現在熱焓的釋放，也就是能量水平的提高上，還可以體(ti) 現為(wei) 能量麵的傾(qing) 斜，也就是通過局域結構重排使自由體(ti) 積在空間內(nei) 重新分布。“這也就是我們(men) 發現的嚴(yan) 重老化的玻璃態物質年輕化新機製。”蔣敏強表示。

　　拓展場景：提供廣闊應用空間

　　此次研究還發現，隨著玻璃進入穩定流動狀態，上述表征年輕化的三個(ge) 物理參數都會(hui) 各自趨於(yu) 飽和值，從(cong) 而首次在實驗上確定玻璃結構年輕化的上限是“凍結”的穩態流動狀態。

　　如果用水來類比，在高溫中形成液體(ti) 的玻璃就好比水，而低溫固體(ti) 化的玻璃則好比冰。“玻璃結構年輕化的極限，就是通過極速降溫使高溫玻璃液體(ti) 突然凍結，從(cong) 而形成類似“凍住的流水”的物質狀態。”蔣敏強解釋，“在這種情況下，玻璃會(hui) 在固態外表下，保持與(yu) 液體(ti) 狀態幾乎相同的物質結構，其流動性會(hui) 達到目前認識中的極限。”

　　此次研究揭示的玻璃態物質年輕化新機製，除了讓我們(men) 更好地從(cong) 物理本質上理解玻璃老化的相關(guan) 成因、過程之外，在推動老化玻璃批量返新方麵，也有著巨大的潛在應用空間。“研究團隊目前正在與(yu) 從(cong) 事玻璃生產(chan) 或研發的企業(ye) 交流，力圖尋找推動技術走向市場的良好結合點。”

　　除此之外，蔣敏強還發現，此次研究揭示的新機製也有望應用在製備先進金屬材料上。

　　“通常來說，金屬材料的強度與(yu) 韌性二者不可得兼。隨著強度的提升，韌性就會(hui) 降低，反之亦然。”蔣敏強表示，“如何克服這一固有的倒置關(guan) 係，是製備兼具強度與(yu) 韌性的先進金屬材料必須麵對的問題。”

　　高強度的金屬材料，其微觀層麵上的總能量水平一般是非常低的。如果通過加溫等方法輸入能量，嚐試通過提高總能量水平來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(men) 能利用此次研究發現的新機製，在總能量水平較低時調整金屬材料的能量麵角度，就能在保持宏觀上強度不變的前提下，提升原子的無序性，從(cong) 而增強金屬材料的韌性。通過這種方法，我們(men) 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製備的成本。”蔣敏強表示，目前他的團隊正在持續進行嚐試，力爭(zheng) 取得決(jue) 定性的突破，為(wei) 解決(jue) 長期以來金屬材料強度與(yu) 韌性之間不可調和的矛盾提供新思路。