玻璃看起來和感覺像是完美有序的固體，但近距離觀察，它的粒子排列混亂得更像是一個定格在時間中的自由落體液體的混亂狀態。
左圖中，二維材料表現為液態，在起始溫度(右圖)以下過渡到更類似固態的行為。
被稱為非晶態固體的材料在這種狀態下無法輕易解釋。涉及計算和模擬的新研究正在揭示一些線索。特別是，它表明在液體和固體狀態之間存在一種我們不知道的重新排列。
加州大學伯克利分校的科學家Dimitrios Fraggedakis、Muhammad Hasyim和Kranthi Mandadapu指出，在過冷液體和固體的溫度邊界上存在一種行為，靜態粒子保持興奮狀態，原地「抽搐」。
我們在日常生活中熟悉的物質基本上有三種狀態：固體、液體和氣體，或者說蒸汽。每種狀態都由它們的粒子與周圍環境之間的關係來定義。
當其中一種狀態轉變為另一種狀態時，例如固體融化為液體，或液體蒸發為氣體，這被稱為相變。
但物質要比這三種基本狀態複雜得多。例如，原子可以變得非常熱，以至於它們的電荷分離形成等離子體。冷卻下來，某些類別的粒子可以完全失去自身特徵，融合成量子模糊狀態。
非晶態固體是有序固體和鬆散液體的奇怪混合物。在固體內部，粒子在適當低溫下一旦鎖定在位，它們傾向於與鄰近的粒子形成可預測的連接，而非晶態固體則具有液體的無序排列。
這些看似雜亂無章的連接如何從粘稠的分子流轉變為靜態的景象，原理並不明顯。
以玻璃作為最熟悉的例子，它的組成元素氧和矽在加熱時會流動。慢慢冷卻，這些粒子有時間形成一個有序的晶體結構，稱為石英。如果快速冷卻，粒子以某種方式保持無序排列；這是它成為非晶態固體的臨界溫度，也是它發生的溫度。
Fraggedakis、Hasyim和Mandadapu利用計算和模擬，結合過去實驗的結果，確定這種轉變可能並不那麼簡單，存在一種特殊的活動，粒子處於正常液體和過冷液體狀態之間。
Mandadapu解釋說：「我們的理論預測了模型系統中測量到的臨界溫度，並解釋了為什麼在該溫度附近過冷液體的行為與固體相似，儘管它們的結構與液體相同。玻璃動力學的臨界溫度就像是一個『融化』溫度，將過冷液體融化成液體。這對於所有過冷液體或玻璃系統都是相關的。」
儘管過冷液體中的原子整體流動幾乎為零，但粒子在原地不斷改變配置，產生被稱為激發的運動。研究人員將這些激發視為結晶固體中的缺陷，並計算了溫度變化時會發生什麼。
他們發現，激發的束縛對在臨界溫度解除束縛，導致材料失去其剛性，表現為正常液體的行為。
該團隊認為他們的模型可以擴展到理解三維中的轉變如何發生，並為未來的實驗工作提供理論基礎。Mandadapu說：「整個探索的目標是從微觀上理解過冷液體和高溫液體之間的區別。」
這項研究已發表在《美國國家科學院院刊》上。