任何由塑料或玻璃制成的材料都被称为无定形材料。与许多凝固成结晶固体的材料不同，无定形材料中的原子和分子在冷却时绝不会堆积在一起形成晶体。事实上，虽然我们通常认为塑料和玻璃是"固体"，但它们的状态更确切地说应该是流动极其缓慢的过冷液体。

(左图）在起始温度之上，二维材料表现出正常的液体行为，所有粒子都具有类似的流动性（黄色）。(右图）低于该温度时，二维材料会变得过冷，在类似固体的 "冻结 "区域（蓝色）中，开始出现刚性，只有一些移动颗粒（黄色）。资料来源：Kranthi Mandadapu

虽然这些"玻璃状动态"材料在我们的日常生活中无处不在，但它们如何在微观尺度上变得坚硬却一直困扰着科学家。

现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员发现了超冷液体中的分子行为，这种行为代表了液体和固体之间的隐性相变。

他们对这一现象的进一步了解适用于塑料和玻璃等普通材料，并能帮助科学家们开发用于医疗设备、药物输送和增材制造的新型无定形材料。

结合理论、计算机模拟和以前的实验，科学家们解释了为什么这些材料中的分子在冷却后会像液体一样保持无序状态，直到在某个温度（称为起始温度）急转直下，变成类似固体的状态--实际上变得非常粘稠，几乎无法移动。这种刚度的开始--一种以前未知的相变--是超冷液体与普通液体的区别所在。

Kranthi Mandadapu 图片来源：Kranthi Mandadapu

"我们的理论预测了在模型系统中测得的起始温度，并解释了为什么过冷液体在该温度附近的行为让人联想到固体，尽管它们的结构与液体的结构相同，"伯克利实验室化学科学部职员科学家、加州大学伯克利分校化学工程教授克兰蒂-曼达达普（Kranthi Mandadapu）说，他领导的这项工作发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

任何过冷液体都会在分子的多种构型之间不断跃迁，从而产生被称为激振的局部粒子运动。在他们提出的理论中，曼达达普、博士后研究员迪米特里欧斯-弗拉格达基斯和研究生穆罕默德-哈西姆把二维过冷液体中的激发当作晶体固体中的缺陷来处理。当过冷液体的温度升高到起始温度时，他们发现每一对有界缺陷都会分裂成一对无界缺陷。正是在这个温度下，缺陷的解结合使系统失去了刚性，开始表现得像普通液体。

"玻璃态动力学的起始温度就像是将过冷液体'融化'为液体的熔化温度。这应该适用于所有过冷液体或玻璃态系统，"曼达达普说。"整个探索过程就是要从微观上理解是什么将过冷液体和高温液体分开的。"

理论和模拟捕捉到了玻璃态动力学的其他关键特性，包括观察到在短时间内，少数粒子移动，而液体的其他部分保持冻结。

曼达达普说："我们的全部探索就是要从微观上理解过冷液体和高温液体之间的区别。"他和他的同事们相信，他们将能够把他们的模型扩展到三维系统。他们还打算将其扩展到解释局部运动如何导致附近的进一步激发，从而导致整个液体的弛豫。这些部分结合在一起，就能以符合最新观测结果的方式，为玻璃态动力学的产生提供一致的微观图景。

从基础科学的角度来看，研究为什么这些过冷液体会表现出与我们所知的普通液体截然不同的动力学是非常吸引人的。