玻璃化(vitrification)的概念来自材料科学,尤指聚合物和金属材料。在材料科学中,低分子物质的凝集状态定义为四种:液体、玻璃、液品和晶体。
在自然界中,当温度降低时,液态转变为固态的形式有两种:晶态(crystal-
line)和玻璃态(或非品态,amorphous)。它们在宏观上都呈现周体的特征,具有确定的体积和形状,实质区别在于其内部的微观质点的排列有无周期性重复。品态物质中的质点(原子、离子、分子及其集团)呈有序排列,而玻璃态物质中的质点呈无序排列。由于人们已习惯将熔化物质在冷却过程中不发生结晶的无机物质称为玻璃(glass),后来逐渐将其他非晶态均称为玻璃态
(glassy state)。
玻璃也被看做是一种过冷的液体,它的黏度非常高(>1014Pa·s),以至于它似乎以一种亚稳定的固体形态存在,在这种状态下,玻璃能支持本身的重量,不会因重力作用而流动。玻璃化过程如同把液态的无序结构瓣时“定位”一样,所以,玻璃态的固体像液体一样,是非常均质化的。从微观角度上讲,玻璃的质点排列也与液态的很相似,二者同属“近程有序,远程无序”的结构。
二、玻璃化过程与结晶过程的区别
结晶是从液态或气态原料中析出晶体物质,是一种热、质传递过程。结品过程是在某一确定的温度下进行的,在此过程中,物质放出相变潜热,相变前后的体积、熵都发生非连续性变化,所以结晶相变又叫“一级相变”。晶态是稳定的。
在玻璃化过程中,物质不放出潜热,比热容和熵是连续变化的,不发生一级相变。但是,比热容和嫡的变化斜率发生阶跃变化,在热力学上被称为二级转变(second order transition)。
从热力学角度来看,玻璃态是亚稳态(metastable)的固态,因为它的黏度很高,高于102~10“Pa·s。但从动力学角度来看,它却是很稳定的,极高的黏度使得玻璃态物质的分子运动性几乎为零,所以在有限的时间内不可能进行结构而调整转化为晶体。