【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】每个人都知道水在摄氏零度结冰。如果不是这样的话，地球上的生命会大不相同。然而水的表哥二氧化硅，在冷却的过程中表现出不稳定的行为，这一直困扰着科学家们。与水不同，二氧化硅(SiO2)不容易结冰。当液态硅冷却时，它的原子不能排列成有序晶体。相反当温度下降时，液体状态甚至比名义的冻结温度低得多。这种现象叫做过冷。最终原子被简单地锁定在任何地方，保持了液体的结构紊乱。由此产生的凝固的物质——机械的固体，但显微镜下的液体——是一个玻璃。
模拟结果揭示了二氧化硅玻璃形成的起源，图片版权：2018 HAJIME TANAKA, INSTITUTE OF INDUSTRIAL SCIENCE, THE UNIVERSITY OF TOKYO
由于二氧化硅是地球上最丰富的化合物之一，所以它对玻璃形成的偏好有着重大的影响。在某些方面，二氧化硅和水是相同的，它们具有相似的四面体对称的协调几何，而且它们都显示出在一定温度下变低密度的异常倾向，但在加压的时候会有更多的液体。它们甚至显示出类似的晶体结构，当硅可以被诱导进入冻结。最近东京大学工业科学研究所的研究人员发现了一个重要的线索，那就是为什么水和二氧化硅会在变冷的时候变得如此明显。在发表在PNAS上的一项研究中，他们的模拟揭示了原子在液体状态下的结晶过程中对称排列的影响。事实证明原子在水中的排列是正确的，而不是硅。
当液体冷却时，秩序从随机性中产生，因为原子聚集成模式。从任何单个原子的角度来看，当它的邻居聚集在一起时，会出现一系列的同心壳。在水和二氧化硅中，第一个外壳(分别是O或Si原子)在形状上是四面体，一个定向排列的例子，或“对称断裂”。关键的区别是第二壳结构。对于水它仍然是按照定向排列的，但是对于二氧化硅，第二层是随机地到处乱涂，几乎没有定向的顺序。在水中，局部有序的结构是冰的前体；这就是H2O的四面体晶体。在液体状态下的定向排列或旋转对称断裂解释了水为什么如此容易结冰。然而在过冷的二氧化硅中，由于定向排列的缺乏，使得玻璃的形成变得容易。换句话说，在二氧化硅的液体结构中，旋转对称更难打破，而且具有更少的定向性。
研究人员通过比较两种物质的结合来解释这种差异。水由单个的H2O分子组成，由强共价键结合而成，但通过较弱的氢键相互作用。水的稳定分子结构限制了原子的自由，导致水的定向性高。然而二氧化硅没有分子形态，原子以一种较不定向的方式结合，导致方向性差。证明了水和硅之间的宏观差异起源于微观世界的结合，希望将这一原理推广到其他物质，如液态碳和硅，它们在结构上与水和硅类似。最终的目标是发展出一个关于玻璃形成者与晶体形成者的不同之处的一般理论，而这是迄今为止科学家们一直未能做到的。
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参考：美国国家科学院院刊
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：东京大学
编译：卿君侧
审校：博科园
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