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非晶物质——常规物质的第四态(全三卷) 汪卫华 著 科学出版社

　　编辑推荐

　　作者汪卫华院士是非晶领域的著名学者，他讲从事非晶研究几十年的成果与心得凝结在这3卷煌煌巨著中。这套书全面系统地论述了非晶物质科学的主要概念，重要科学问题，以及非晶研究的基本理论与研究方法，具有一流的学术水平，写作形式活泼，每章都介绍了相关研究前沿，并列出了非晶科学研究的100个重要问题，引起读者思考，吸引有志青年加入这些问题的研究中来。书中还穿插了大量相关研究历史的精彩故事，具有较强知识性、可读性和趣味性。

　　内容简介

　　《非晶物质——常规物质第四态.第一卷》分三卷，试图用科普的语言，以典型非晶物质如玻璃、非晶合金等为模型体系，系统阐述自然界中与气态、液态和固态并列的第四种常规物质——非晶物质的特征、性能、本质以及广泛和重要的应用，全面介绍了非晶物质科学中的新概念、新思想、新方法、新工艺、新材料、新问题、新模型和理论、奥秘、发展历史、研究概况和新进展，其中穿插了研究历史和精彩故事。

　　作者简介

　　汪卫华

　　材料物理学家

　　中国科学院物理研究所研究员，广东松山湖材料实验室主任

　　中国科学院院士，，发展中国家科学院院士，美国物理学会会士

　　长期从事非晶物质和材料的基础研究

　　目录

　　目录

　　前言

　　第0章 绪论 1

　　0.1 本书的主要内容 3

　　0.2 本书的特色和风格 7

　　0.3 为什么要写这本书 11

　　第1章 物质世界中的非晶物质：常规物质第四态 15

　　1.1 层次化的物质世界 17

　　1.2 凝聚与凝聚态物质 19

　　1.2.1 凝聚 19

　　1.2.2 凝聚态物质 22

　　1.2.3 凝聚态研究范式 23

　　1.3 非晶物质在物质世界中的位置 31

　　1.4 非晶物质是四大常规物态之一 33

　　1.4.1 非晶物质是第四类常规物态 33

　　1.4.2 非晶物质的定义和范畴 36

　　1.4.3 非晶物质特征概览 47

　　1.5 什么是非晶物质科学 54

　　1.5.1 非晶物质科学 54

　　1.5.2 非晶物质研究意义 56

　　1.6 小结 60

　　参考文献 61

　　第2章 非晶物质研究和应用史概观：改变历史的材料 65

　　2.1 引言 67

　　2.2 非晶物质利用和研究简史 68

　　2.2.1 早期天然非晶材料的利用 69

　　2.2.2 早期玻璃材料的制备与工艺 73

　　2.2.3 玻璃材料简史 77

　　2.2.4 中国古代玻璃材料简史 97

　　2.2.5 非晶物质科学简史 104

　　2.2.6 非晶半导体简史 108

　　2.2.7 非晶合金（金属玻璃）简史 109

　　2.2.8 非晶物质研究和发展史上大事记 123

　　2.3 非晶材料和文明、文化及科学发展关系探讨 125

　　2.3.1 玻璃和科学的关系 125

　　2.3.2 非晶材料和文化及艺术的关系 142

　　2.3.3 非晶材料在东西方文化和文明差异中的作用 147

　　2.4 非晶物质科学的今天和明天 149

　　2.5 小结和讨论 159

　　参考文献 160

　　第3章 非晶物质的微观结构：无序中的有序 169

　　3.1 引言 171

　　3.2 非晶物质微观结构的特征和表征 174

　　3.2.1 非晶物质微观结构的特征 174

　　3.2.2 非晶物质微观结构的描述和表征 182

　　3.3 非晶物质中的序 198

　　3.3.1 序和无序 199

　　3.3.2 短程序 201

　　3.3.3 中程序 206

　　3.3.4 分形序 208

　　3.3.5 拓扑序 217

　　3.3.6 局域对称性 222

　　3.4 非晶物质的结构模型 233

　　3.4.1 连续无规网络模型 233

　　3.4.2 无规线团模型 236

　　3.4.3 微晶模型 236

　　3.4.4 无规密堆模型 238

　　3.4.5 非晶合金的结构及模型研究进展 242

　　3.5 无序非晶体系的电子结构 246

　　3.6 科学大装置是非晶物质结构研究的机遇 248

　　3.7 小结和讨论 254

　　参考文献 256

　　第4章 非晶物质的形成：熵和序的调控艺术 265

　　4.1 引言 267

　　4.2 非晶物质形成原理和规律 269

　　4.2.1 非晶物质形成的基本原理 269

　　4.2.2 熵调控 271

　　4.2.3 非晶形成能力 274

　　4.2.4 非晶物质形成的热力学 276

　　4.2.5 非晶物质形成的动力学 280

　　4.2.6 非晶物质形成的键合条件 289

　　4.2.7 非晶物质形成的结构因素 290

　　4.3 非晶材料的主要制备方法和工艺 292

　　4.3.1 非晶材料的主要制备工艺 292

　　4.3.2 点石成金的微量掺杂工艺 296

　　4.3.3 神奇的助熔剂工艺 300

　　4.4 非晶合金的制备方法和经验形成判据 301

　　4.4.1 主要制备方法 301

　　4.4.2 经验形成判据 315

　　4.4.3 弹性模量判据 316

　　4.4.4 非晶合金形成难题及研究进展 320

　　4.5 非晶材料研制进展和展望 336

　　4.5.1 超稳定非晶物质 337

　　4.5.2 纳米非晶 340

　　4.5.3 超硬非晶碳 342

　　4.5.4 非晶物质的生物合成 343

　　4.5.5 非晶材料基因工程研发模式 345

　　4.5.6 非晶材料的制造和智造 356

　　4.5.7 尾声——关于非晶材料制备工艺的一个故事 362

　　4.6 小结和讨论 364

　　参考文献 366

　　第5章 过冷液体和玻璃转变：非晶物质研究的圣杯 375

　　5.1 引言 377

　　5.2 过冷液体 378

　　5.2.1 什么是过冷液体 378

　　5.2.2 过冷液体的特征和性质 382

　　5.3 玻璃转变 395

　　5.3.1 玻璃转变现象 395

　　5.3.2 玻璃转变的唯象特征 401

　　5.3.3 玻璃转变中的结构演化 410

　　5.3.4 玻璃转变的理论模型 413

　　5.4 自旋玻璃转变 431

　　5.4.1 自旋玻璃 431

　　5.4.2 失措和自旋玻璃转变 434

　　5.5 玻璃转变的电子结构特征 435

　　5.6 非晶物质本质的讨论 437

　　5.6.1 非晶物质的本质 437

　　5.6.2 存在理想非晶态吗 439

　　5.7 广义玻璃转变 441

　　5.8 小结和讨论 456

　　参考文献 457

　　第6章 非晶物质的本征特性：无序和复杂的倜傥 465

　　6.1 引言 467

　　6.2 非晶物质随时间变化的特性 468

　　6.2.1 亚稳特性 468

　　6.2.2 老化 470

　　6.3 稳定性 472

　　6.4 回复 478

　　6.5 非均匀特性 487

　　6.6 记忆效应 489

　　6.7 遗传性 493

　　6.8 响应的敏感性 500

　　6.9 局域流变和脆性 503

　　6.10 超塑性 504

　　6.11 光学性质 509

　　6.12 非晶物质化学特性 512

　　6.13 极端条件下非晶物质的特性 514

　　6.14 小结 517

　　参考文献 517

　　精彩书摘

　　第0章绪论

　　格言

　　物理学家利奥 西拉德对他的朋友说他准备写书：“我只是想记下事实，供上帝参考。”

　　朋友问：“难道上帝不知道这些事实？”

　　“知道，”西拉德说，“他知道这些事实，可他不知道这样描述的事实。”

　　——汉斯 克里斯琴 冯 拜耳《征服原子》

　　0.1本书的主要内容

　　常说人生如戏，非晶物质的研究和发展也可比作一台戏，其主角就是非晶物质。和很多重要的角色一样，它有多个名字，又叫无定形物质，也叫玻璃，冻结的液体，等等。这台戏的演员还有很多，他们是为非晶物质科学做出杰出贡献的科学家、工程师、企业家和研究生。本书中非晶物质的配角是晶体、液体、气体、准晶、高熵物质，还有原子、分子、原子团簇及非晶物质的近亲——过冷液体，等等。

　　任何一个角色都有其表演的舞台，非晶物质的舞台是空间和时间。非晶物质的空间跨度非常广袤，从原子/电子尺度（<10.9m）到宏观米以上更大的尺度，横跨了十几个量级，几乎涉及各种宏观物质和微观分子/原子和电子。非晶物质的时间跨度也很大，从原子/电子的～10.18s时间尺度，到宏观非晶物质万年的尺度，跨度在二十几个量级。本书将在这个广袤、深邃的空间和时间大舞台上展现非晶物质的本质、形成、演化和运动、结构、特性、规律、衰变、稳定性、相互作用、应用、定位和历史，以及与社会、文化、科学之间关系的故事。天高地迥，觉宇宙之无穷；兴尽悲来，识盈虚之有数。希望你能从浩渺的时间和空间去探究、认识和体验非晶物质。

　　本书的主角非晶物质和我们有什么样的密切关系呢？禅宗里的一个故事能形象说明非晶物质和我们的关系。大海里一条小鱼问大鱼：“我常听说海的事情，可是海是什么？”大鱼答道：“你的周围就是海啊！”小鱼说：“可是我怎么看不到啊？”大鱼说：“海在你的里面，你也在海里面，你生于海，终归于海，海包围着你，就像你的身体一样。”非晶物质和我们的关系就类似鱼和海的关系。非晶物质充斥于自然界中，无处不在。实际上，我们和海中鱼一样，身处其中，生活在一个非晶物质的世界中，我们身体的组成部分很多就是非晶物质。但是我们对非晶物质，可以说是习而不察，对它的了解和认识也非常有限。正如庄子所说：鱼相忘于江湖，人相忘于道术。

　　令人难以想象的是，至今还很难给非晶物质一个科学的、明确的定义。它有一个通俗的名字叫玻璃，人们已经习惯用玻璃来代称非晶固体，因为玻璃是典型、古老、很早就被利用的非晶物质。对非晶物质定义的探寻，可以帮助我们了解非晶物质的本质，窥探非晶物质的奥秘。物质科学的发展，使得我们对物质的认识越来越深刻，物质的分类因此已经超出了高中物理课本里对物质的简单分类——固态、液态和气态。本书将用大量的例证，从不同的角度来证明本书的主角非晶物质实际上完全不同于固态、气态和液态这三类常规物质，所以不能将其简单归于固态、气态或者液态，它是常规物质世界中的独立、重要的成员，是和气态、液态、固态相并立的第四种常规物质状态。

　　我们的主角有什么与众不同呢？非晶物质是自然界中最基本、最普遍、最复杂、多样化的物质之一。阿波罗登月宇航员和中国嫦娥五号采回的月壤中非晶物质——玻璃多达30%以上。这些月球表面上的玻璃小球已经至少存在15亿年了。它见证过宇宙星辰波澜壮阔的演化历史。古老而稳定的玻璃是地球、月球、火星等行星的久远自然历史和时间的记录簿，它保存了这些星球远古时代地质、生物和环境的信息，使我们得以了解行星生物和地质的演化和奥秘。非晶物质和材料在人类发展历史上有杰出的表现和作为，有很多神奇隐藏在大自然讲述的许多故事中。非晶材料是人类利用最古老也是最广泛的材料之一。例如，典型非晶材料——玻璃的应用和制造历史源远流长，横贯人类整个文明，并对社会文明、科学、文化甚至艺术的方方面面产生了极大的影响。在西方，人们甚至把玻璃材料说成是上帝赐予人类的最佳礼物，是一个充满矛盾而又非常神奇的物质。它给人们带来了生活的喜悦和创作的灵感，艺术家利用它晶莹透亮、冷峻坚固，同时具有折光反射的特点，在艺术创作上达到了变幻莫测、美轮美奂的艺术效果。很多科学先贤曾用它穿透现实世界的迷雾，透视到无数重要的自然奥秘，极大地启迪了人类的智慧，促进了科学的发展和社会的进步。来自平常砂石的非晶玻璃纤维（光纤）也是传递佳音信息的最佳材料，助力人类进入信息时代。另外，古老而透明的非晶物质（如玻璃）时至今日仍然是最难看透的、最难认识的物质之一，对其本质的理解仍然是世界性难题，连很多伟大的科学家都曾感叹：看透玻璃很难。

　　研究非晶物质的学科是个交叉学科，其研究范式、方法和手段涉及数学、物理、化学、信息、工程和材料科学，这样的交叉和新兴领域充满激动人心的发现、机会和故事。本书就是围绕这类既常见和古老又深刻和神奇的角色——非晶物质来叙述其昨天、今天和明天的故事。全书分为19个部分来论述非晶物质的本质、结构、性质、特征、形成、流变、性能和应用，并介绍非晶物质科学相关研究的概况和最新进展及面临的问题，采用远焦和近焦不同镜头和角度来展开对主角非晶物质的描述、分析和记录。绪论、第1、2章主要采用远焦镜头，从几千年的时间历史和整个物质空间的大尺度角度为非晶物质取景，是非晶物质宏大主旋律下的乐章和故事；从第3章开始，采用近焦镜头，对非晶物质的方方面面逐一进行描述、分析和讨论。因为非晶物质的故事源远流长，是丰富的光谱镜头，它之前的历史悠远，应用极广，影响很大，它之后的故事、问题、成果很多，所以我们可能只能定格在它的主要片段上去观察、描述和分析它。

　　绪论部分主要是概述本书主角的特点，本书的内容纲要、布局、风格和目的。

　　第1章把非晶物质放到物质世界的大背景和空间中去介绍其重要的概念、思想、方法、研究思路和范式，与其他常规物质的异同。通过和其他物质的比较，阐述非晶物质归类为常规物质的第四态的原因。试图在整个物质世界的大背景下（空间角度）来看非晶物质所处的位置、范围，与其他物质的关系，以及非晶物质的研究意义、研究热点问题，旨在拓宽关于非晶物质研究的视野。

　　第2章从历史的角度（时间维度）较系统地考察、总结了非晶物质科学研究的发展、非晶材料制备和应用的历史，特别是古老的玻璃材料和最新非晶物质家族成员——非晶合金的研究和应用的历史。考察非晶材料与其他学科、文化、社会文明、艺术和科学发展的关联，特别是考察了玻璃和早期科学的密切关系，通过比较典型非晶材料——玻璃在东西方的发展和社会影响，讨论了非晶材料在东西方文化和文明差异中的作用，以及文化对非晶材料发展的影响和作用。从历史和重要应用的角度阐明非晶物质是不同于其他三种常规物态的第四态，论述非晶物质和材料研究和应用的重大意义。目前国内从事非晶物质和材料学习和研究的年轻学者和研究生可能不太了解非晶物质研究、利用和发展的历史，希望较系统的非晶物质的发展史能对读者特别是年轻学生认识和了解非晶物质有些帮助和启迪。

　　第3章详细描述了非晶物质的原子和电子结构特征、结构模型及非晶物质中的各种结构序，包括短程序、中程序、拓扑序、对称性等，介绍表征非晶结构的各类实验手段及其局限性，非晶物质结构研究的最新进展和困难，并从结构特征的角度证明非晶物质是不同于其他三种常规物态的第四态，说明复杂的非晶物质长程无序结构中存在序，在无序中可以发现序，无序的本质是其他方向的秩序，是暂未被认识的序。本章还探讨和反思了以微观结构作为出发点来研究、调控非晶物质特性和性能这个传统固体物理和材料科学研究的思维模式的作用，探讨了能否引入新的范式来研究复杂的非晶物质结构。

　　第4章主要讨论非晶物质是如何形成的，介绍制备非晶材料的基本原理和机制、判据、主要技术和工艺方法，以及熵和序在非晶物质形成中的作用，介绍不断涌现的新的非晶物质，如单质非晶、高熵非晶、超稳定非晶、纳米非晶、生物非晶等物质，也从制备原理和方法的角度证明非晶物质是不同于其他三种常规物态的第四态。本章还试图展示非晶材料的制备不仅是工艺和技术，同时也是一门科学和艺术。一项看似简单的非晶材料制备或加工技术的发明，甚至能完全改变社会、改变我们的生活方式，对社会和文明进步会带来意想不到的巨大促进作用。在20世纪，科学家们找到了构成物质世界的基本模块：组成所有物质的基本模块是分子、原子和基本粒子；组成生命的基本模块是细胞、蛋白质和基因。物质科学的一个趋势将是反过来探索用这些基本模块能够制造什么，因此本章也介绍了非晶物质和材料的制造这个重要方向和思路。

　　第5章过冷液体和玻璃转变主要围绕什么是非晶物质本质这个问题展开。非晶的本质问题一直是非晶物质领域的一个热门课题，关于非晶物质本质的解释和认识既丰富又有趣，这些解释和理论有多种形式。本章重点论述非晶物质及其母体过冷液体中最重要的问题——玻璃转变问题，以及玻璃转变研究的概况和意义，介绍关于玻璃转变的主要理论和模型，不同观点及争论，玻璃转变包括广义玻璃转变研究的意义及与其他学科的联系等，进一步证明非晶物质的本质和转变机制也完全不同于其他三种常规物态，它的形成不是通过相变，而是通过独特的玻璃转变。

　　第6章是关于非晶物质的重要特性，包括亚稳特性，稳定性，衰变和回复，记忆效应，遗传性，对外界影响的敏感性，局域流变和脆性，超塑性成形特性，非均匀特性，抗腐蚀等化学特性，以及极端条件下的特性，从非晶物质的非同寻常的物质特性来说明它是不同于其他三种常规物态的独特物态。

　　弹性是认识非晶物质的一把钥匙，所以本书将非晶物质的弹性单独列为一章。第7章系统地介绍非晶物质的弹性特征，提供了大量各类非晶材料的弹性模量的数据。通过大量实验证据证明非晶物质的弹性模量和其成分、结构、动力学、特性以及很多其他物理和力学性能的密切关联，证明弹性模量是认识非晶物质本质的关键物理参量，弹性模量能够把非晶物质的形成、结构特征、玻璃转变、物理力学性能密切关联在一起。本章还介绍非晶合金材料探索和性能调控的弹性模量判据，介绍从弹性模量角度来预测、调控非晶材料形成能力和性能的思路和方法。弹性模量和非晶物质性能的关联，是认识其本质问题、研发高性能非晶材料的钥匙。

　　第8章聚焦非晶物质的流变。非晶物质可视为流动极其缓慢的流体，其流变行为完全不同于常规流体，有很多独特、有趣且难以理解的特性。非晶物质黏性极大，流动是非均匀和局域的，在流变过程中会随温度或者压力的改变发生神奇的玻璃转变：从极长时间尺度的缓变随机过渡到极短时间尺度的骤变。非晶物质的这些流变现象在实验室时间尺度上很难观测研究，其流变导致了很多自然现象，也给流体力学带来一系列崭新的科学问题，是对人类智慧的挑战。本章将讨论非晶物质中原子等粒子在外力或者温度作用下如何流变，流变的时空复杂性，流变的物理本质，以及非晶物质流变、玻璃转变、弛豫之间的关系等重要问题，介绍了从弹性模量角度描述非晶物质的本质、流变和玻璃转变的统一流变模型——弹性模型，这个模型能给出非晶物质中流变的统一解释。

　　第9章聚焦讨论非晶物质流变和形变的微观结构起源和机制，讨论了非晶固体是否存在类似晶体的缺陷或流变单元，如何定义、发现、表征流变单元，以及建立非晶物质中流变单元与其性能、性质和特征的关系。本章还介绍了非晶物质和材料领域关于流变单元研究的最新进展、各种流变单元模型、质疑和争议。

　　不同于晶态固体、液态和气态，非晶物质有丰富的动力学模式，这是非晶态物质结构复杂和无序的反映，也是非晶物质区别于其他三种常规物态的重要标志。对于结构复杂的非晶物质，动力学也是理解其本质、复杂结构、特征、玻璃转变、形成机制、调制和设计非晶材料的性能的重要途径和窗口。第10章是从动力学角度来研究非晶物质，介绍复杂非晶物质的多种多样的动力学模式，以及它们的行为特征，它们之间的关联关系、结构起源和机制，介绍各种动力学模式和非晶物质结构、非均匀性、性能的关联关系，提出如何根据动力学和性能的关系来调制非晶材料的性能的思路和方法。

　　热力学是100多年前就基本建成的自然科学最辉煌的经典学科之一，如何将热力学应用到非平衡的非晶物质研究中是个挑战。第11章试图从热力学角度来认识非晶物质，包括非晶热力学特征，热力学玻璃转变，理想玻璃转变，熵在非晶物质形成、转化