来自NIST、CNRS和华盛顿大学的研究人员通过将铝、铁和硅的混合物迅速降温取得了一些样品,他们在其中一片上发现了貌似新的固体合金,进行了分析。这种新材料中的原子不像像晶体中那样按规律排布,因此原则上说应该是一种玻璃。但是另一方面,它又像晶体一样从一颗核开始生长,并且具有固定的组分 —— 这些性质都是玻璃所不具备的。
固体的分类通常很简单。它们或者属于晶体,或者属于玻璃。晶体中的原子或分子有规律的排布,同时具有平移对称性和转动对称性。玻璃中的原子或分子则两种对称性都不具备,它们只是无序的堆积起来的。这就像把液体以极快的速度冷却,以至于其中的原子或分子没有足够的时间形成有序的排列。这其实也是钢化玻璃的形成过程。
80年代,一个当时在NIST做客座研究员的以色列人Daniel Schectman (诺贝尔化学奖,2011)找到了准晶体存在的证据,从而颠覆了传统的分类方式。准晶体是一类新型的固体,它具有固定的原子组分,原子排布具有转动对称性,但是不具有平移对称性。原子的排布在长距离上没有规律。
研究人员最近发现的被临时称作Q-玻璃的新材料从X光衍射上可以看出既没有转动对称性也没有平移对称性。因此它类似普通的玻璃。但是Q-玻璃中原子的排布显然并不随意,随着结晶的生长,“每个原子显然知道自己要去什么地方”,研究人员说。
更进一步,Q-玻璃看起来有严格的化学组分。在显微镜下观察,球形的Q-玻璃区域在冷却的过程中逐渐从核心开始生长,并将不符合结构要求的原子排挤出去。这样的行为看起来很像晶体,但是Q-玻璃又没有晶体应该有的原子排布的规律性。
研究组利用阿贡高级光源能提供的各种复杂技术排除了一系列其它可能性。比如说,这样的材料可能是极细微晶体颗粒的无序混合物,因此在X射线下可以不显示出来。但是如果这种细小结晶存在的话,它们就会在退火过程中慢慢长大,但实验中没有看到这一点。仍然存在的一种可能性是两种无法兼容的晶体结构同时从核心开始生长,它们在长大的过程中相互影响,从而破坏了长距离上的有序性。
还有一种更让人兴奋的可能性是Q-玻璃有可能是具有三维对称性第一个例子。这种结构有数学家提出过,但从未在自然界中被看到。