沙子烧成玻璃的过程 粗糙的沙子和光滑的玻璃是怎么互相转化的？

沙子受热时是怎样变成玻璃的？

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？

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。

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。

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）。

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。