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为什么玻璃这么坚硬?

时间:2020-07-12 21:54 来源:菜叶 作者: 菜叶

简介:玻璃是某些液体冷却而形成的。但是,为什么液体中的分子在一定温度下会急剧下降,而结构排列却没有明显的相应变化(这种现象称为玻璃化转变)?到目前为止,人们一直没有弄清

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玻璃是某些液体冷却而形成的。但是,为什么液体中的分子在一定温度下会急剧下降,而结构排列却没有明显的相应变化(这种现象称为玻璃化转变)?到目前为止,人们一直没有弄清楚是什么导致了玻璃如此坚硬。

现在,谷歌拥有的人工智能公司DeepMind的研究人员已经使用AI来研究玻璃中的分子随着硬化而发生的变化。 DeepMind的人工神经网络能够在一个时刻仅使用其物理结构的“快照”,来预测分子如何在极长的时间尺度内运动。根据DeepMind的维克多·巴普斯特(Victor Bapst)的观点,即使玻璃的微观结构看起来没有任何特征,“这种结构可能比人们想象的更能预测动力学。”

在悉尼大学研究玻璃过渡的彼得·哈罗尔(Peter Harrowell)表示同意。 他说,这篇论文“比以前有关玻璃硬度论文更能说明问题”,“结构以某种方式为动态编码”,因此玻璃毕竟不像液体那样混乱。

预测倾向

为了了解导致玻璃过渡的微观变化,物理学家需要将两种数据联系起来:玻璃中的分子在太空中是如何排列的,以及它们(缓慢地)如何随时间移动。将这些物质联系起来的一个方法,就是与一种叫做动态倾向的数量有关:鉴于一组分子目前的位置,它们在未来特定时间可能移动多少分子。这种不断演变的数量来自于使用牛顿定律计算分子的轨迹,从许多不同的随机初始速度开始,然后一起平均结果。

通过模拟这些分子动力学,计算机可以生成数千个玻璃分子的"倾向图",但只能在万亿分之一秒的时间尺度上。而玻璃中的分子,根据定义,移动非常缓慢。法国巴黎高等师范学校大学的凝聚态物理学家朱利奥·比罗利(Giulio Biroli)说,计算它们对几秒或更多水平的倾向"对于普通计算机来说是不可能的,因为它需要太多的时间"。

更重要的是,比罗利说,仅仅通过这些模拟来了解什么结构特征(如果有任何)可能导致玻璃中的分子倾向,并不能给物理学家带来多少见解。

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