打破局部對稱：為什麼水會結冰，而二氧化硅會形成玻璃？

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】每個人都知道水在攝氏零度結冰。如果不是這樣的話，地球上的生命會大不相同。然而水的表哥二氧化硅，在冷卻的過程中表現出不穩定的行為，這一直困擾著科學家們。與水不同，二氧化硅(SiO2)不容易結冰。當液態硅冷卻時，它的原子不能排列成有序晶體。相反當溫度下降時，液體狀態甚至比名義的凍結溫度低得多。這種現象叫做過冷。最終原子被簡單地鎖定在任何地方，保持了液體的結構紊亂。由此產生的凝固的物質——機械的固體，但顯微鏡下的液體——是一個玻璃。

模擬結果揭示了二氧化硅玻璃形成的起源，圖片版權： 2018 HAJIME TANAKA, INSTITUTE OF INDUSTRIAL SCIENCE, THE UNIVERSITY OF TOKYO

由於二氧化硅是地球上最豐富的化合物之一，所以它對玻璃形成的偏好有著重大的影響。在某些方面，二氧化硅和水是相同的，它們具有相似的四面體對稱的協調幾何，而且它們都顯示出在一定溫度下變低密度的異常傾向，但在加壓的時候會有更多的液體。它們甚至顯示出類似的晶體結構，當硅可以被誘導進入凍結。最近東京大學工業科學研究所的研究人員發現了一個重要的線索，那就是為什麼水和二氧化硅會在變冷的時候變得如此明顯。在發表在PNAS上的一項研究中，他們的模擬揭示了原子在液體狀態下的結晶過程中對稱排列的影響。事實證明原子在水中的排列是正確的，而不是硅。

當液體冷卻時，秩序從隨機性中產生，因為原子聚集成模式。從任何單個原子的角度來看，當它的鄰居聚集在一起時，會出現一系列的同心殼。在水和二氧化硅中，第一個外殼(分別是O或Si原子)在形狀上是四面體，一個定向排列的例子，或「對稱斷裂」。關鍵的區別是第二殼結構。對於水它仍然是按照定向排列的，但是對於二氧化硅，第二層是隨機地到處亂塗，幾乎沒有定向的順序。在水中，局部有序的結構是冰的前體；這就是H2O的四面體晶體。在液體狀態下的定向排列或旋轉對稱斷裂解釋了水為什麼如此容易結冰。然而在過冷的二氧化硅中，由於定向排列的缺乏，使得玻璃的形成變得容易。換句話說，在二氧化硅的液體結構中，旋轉對稱更難打破，而且具有更少的定向性。

研究人員通過比較兩種物質的結合來解釋這種差異。水由單個的H2O分子組成，由強共價鍵結合而成，但通過較弱的氫鍵相互作用。水的穩定分子結構限制了原子的自由，導致水的定向性高。然而二氧化硅沒有分子形態，原子以一種較不定向的方式結合，導致方向性差。證明了水和硅之間的宏觀差異起源於微觀世界的結合，希望將這一原理推廣到其他物質，如液態碳和硅，它們在結構上與水和硅類似。最終的目標是發展出一個關於玻璃形成者與晶體形成者的不同之處的一般理論，而這是迄今為止科學家們一直未能做到的。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：美國國家科學院院刊

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：東京大學

編譯：卿君側

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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