任何由塑料或玻璃製成的材料都被稱為無定形材料。與許多凝固成結晶固體的材料不同，無定形材料中的原子和分子在冷卻時絕不會堆積在一起形成晶體。事實上，雖然我們通常認為塑料和玻璃是”固體”，但它們的狀態更確切地說應該是流動極其緩慢的過冷液體。

(左圖）在起始溫度之上，二維材料表現出正常的液體行為，所有粒子都具有類似的流動性（黃色）。(右圖）低於該溫度時，二維材料會變得過冷，在類似固體的”凍結”區域（藍色）中，開始出現剛性，只有一些移動顆粒（黃色）。資料來源：Kranthi Mandadapu

雖然這些”玻璃狀動態”材料在我們的日常生活中無處不在，但它們如何在微觀尺度上變得堅硬卻一直困擾著科學家。

現在，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的研究人員發現了超冷液體中的分子行為，這種行為代表了液體和固體之間的隱性相變。

他們對這一現象的進一步了解適用於塑料和玻璃等普通材料，並能幫助科學家們開髮用於醫療設備、藥物輸送和增材製造的新型無定形材料。

結合理論、計算機模擬和以前的實驗，科學家們解釋了為什麼這些材料中的分子在冷卻後會像液體一樣保持無序狀態，直到在某個溫度（稱為起始溫度）急轉直下，變成類似固體的狀態–實際上變得非常粘稠，幾乎無法移動。這種剛度的開始–一種以前未知的相變–是超冷液體與普通液體的區別所在。

Kranthi Mandadapu 圖片來源：Kranthi Mandadapu

“我們的理論預測了在模型系統中測得的起始溫度，並解釋了為什麼過冷液體在該溫度附近的行為讓人聯想到固體，儘管它們的結構與液體的結構相同，”伯克利實驗室化學科學部職員科學家、加州大學伯克利分校化學工程教授克蘭蒂-曼達達普（Kranthi Mandadapu）說，他領導的這項工作發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

任何過冷液體都會在分子的多種構型之間不斷躍遷，從而產生被稱為激振的局部粒子運動。在他們提出的理論中，曼達達普、博士後研究員迪米特里歐斯-弗拉格達基斯和研究生穆罕默德-哈西姆把二維過冷液體中的激發當作晶體固體中的缺陷來處理。當過冷液體的溫度升高到起始溫度時，他們發現每一對有界缺陷都會分裂成一對無界缺陷。正是在這個溫度下，缺陷的解結合使系統失去了剛性，開始表現得像普通液體。

“玻璃態動力學的起始溫度就像是將過冷液體’融化’為液體的熔化溫度。這應該適用於所有過冷液體或玻璃態系統，”曼達達普說。”整個探索過程就是要從微觀上理解是什麼將過冷液體和高溫液體分開的。”

理論和模擬捕捉到了玻璃態動力學的其他關鍵特性，包括觀察到在短時間內，少數粒子移動，而液體的其他部分保持凍結。

曼達達普說：”我們的全部探索就是要從微觀上理解過冷液體和高溫液體之間的區別。”他和他的同事們相信，他們將能夠把他們的模型擴展到三維繫統。他們還打算將其擴展到解釋局部運動如何導致附近的進一步激發，從而導致整個液體的弛豫。這些部分結合在一起，就能以符合最新觀測結果的方式，為玻璃態動力學的產生提供一致的微觀圖景。

從基礎科學的角度來看，研究為什麼這些過冷液體會表現出與我們所知的普通液體截然不同的動力學是非常吸引人的。