科学就是生活沙子受热时是怎样变成玻璃的？
沙子受热时是怎样变成玻璃的？
粗糙的沙子和光滑的玻璃是怎么互相转化的？
我们知道 ， 玻璃在现代生活中的应用非常广泛 ， 已经成为了生活必备品 ， 如杯子、窗户等等 。 那么玻璃是怎么来的呢？非专业人士可能想不到光滑的玻璃其实是由粗糙的沙子转化而来的 。 那么粗糙的沙子和光滑的玻璃是怎么互相转化的？沙子会发生什么变化呢？
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其实 ， 看到这个问题 ， 毫无疑问 ， 这是一个化学过程 ， 实际上从砂（晶相）到玻璃（非晶相）的拓扑转变是材料科学中非常有趣的问题之一 。 我们必须记住 ， 任何“体积”性质的变化都源于原子重排 ， 也就是构成材料的原子的排列 ， 或者原子间距的变化 ， 或者由于系统受到扰动（一般是高温）而引入的变化 ， 这些变化包括内在以及外在 ， 这正是从沙子到玻璃的过渡 。
那么沙子被加热时到底发生了什么？
首先我们先看看这是显微镜下的沙子 ， 正如你所看到的 ， 它看起来就像一小片玻璃 。 那是因为它沙子和玻璃主要是二氧化硅 。 石英也是二氧化硅 ， 但区别不是化学上的 ， 而是结构上的 。 沙子和玻璃中有杂乱无章的分子 ， 它们指向各个方向 ， 而石英则由规则的晶体组成 。
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【科学就是生活沙子受热时是怎样变成玻璃的？】当你融化沙子时 ， 它会变成“无定形” 。 而石英像钻石一样 ， 必须在特定的条件下发展 。 很多沙子是磨碎的石英 ， 当你加热到熔化时 ， 它变成了无定形 。 一旦你融化它 ， 硅和氧原子就开始互相连接 ， 所以当你冷却它们时 ， 它们会粘在一起而不是分散在一起 。 想象一下 ， 拿了一堆冰块 ， 把它们融化 ， 然后把整个容器放回冰箱里——你会得到一个大冰块 。
总的来说 ， 高温带来的热量给沙子增加能量 ， 使其原子振动得更快更强 。 这削弱了砂晶体结构中的键合 ， 并使其有更多的自由移动和离开指定的位置 。 当温度再次下降时 ， 原子没有足够的时间重新排列成晶体结构 ， 所以它们像玻璃一样无序地凝固 ， 它实际上被称为有序混乱 。
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这种模式在一定距离内以原始的方式重复出现 ， 但玻璃没有像晶体固体那样具有更高的秩序和对称性 。 为了让沙子回到它的结构状态 ， 冷却速度必须足够慢 ， 让每个原子都能找到一定的位置 。
下图显示了硅和氧原子在左侧结晶砂（有序排列、周期性和对称性）和玻璃（原子间距变化很大 ， 缺乏周期性和对称性）界面处的排列 。 通过控制自下而上制造过程中可用的硅量（从组成最终产品的成分开始）和冷却速度 ， 我们最终能够控制二氧化硅的相（结晶或非晶态 ， 或某种非晶态 ， 即玻璃质） 。
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所以看到结果 ， 我们可以知道玻璃是一种非平衡、非晶态的物质 ， 在大部分时间内呈固态 ， 在高温下会趋向液态 ， 但又不是液态 ， 它不是固体或液体 。 它在中间的某个地方 ， 它被称为超流体和无定形固体 。
而当二氧化硅-沙子被加热到3090华氏度时 ， 就会融化成液体 。 顺便说一句 ， 硅很像碳 ， 它能以链的形式连接在一起形成更大的分子 。 总之 ， 当液态沙冷却时 ， 它开始在分子水平上形成晶格 ， 而这种晶格永远不会完全卡入到位 ， 从而形成晶体的刚性分子键 ， 其结果是一种具有固体和液体特性的物质 ， 也就是玻璃 。
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