2025年11月26日，松山湖材料实验室空间材料团队在国际期刊Nature Communications在线发表最新研究进展——《Ultra-slow aging dynamics of glass and its application to geological dating》。该工作系统研究了不同寿命的非晶物质的弛豫演化过程，揭示了玻璃在远低于其玻璃化转变温度（Tg）下仍持续演化的超慢非线性动力学规律，并据此提出一种类似于放射性同位素的通用玻璃测年方法，为地球科学、行星探测与考古学提供了全新的工具和方法。

自20世纪30年代以来， “典型非晶物质玻璃是否完全被冻结”一直是物理学界争论的焦点。传统观点认为，在远低于Tg的环境中，玻璃的老化速率趋近于零，可视为被完全“冻结”。 然而，越来越多的证据挑战这一假设，并暗示玻璃从未真正停止演化。尽管宏观上呈现出固体的刚性，玻璃在微观上却保持着液态的无序结构，处于热力学非平衡态。这意味着，即使在室温下，玻璃也会极其缓慢地向更低能量状态演变——这一过程被称为“弛豫”或“物理老化”（physical aging）。

由于玻璃的流动演化极其缓慢，其老化过程往往跨越万年以上的地质时间尺度，并呈现显著的非线性特征。理论层面，现有物理模型（如NM模型）虽能描述温度近Tg区域的老化，但在外推至地质时间尺度时严重失效：该模型预测的弛豫时间常达数百亿年，远超宇宙年龄（138亿年），与实验观测严重矛盾。这一长期存在的“理论-实验鸿沟”阻碍了对玻璃长时间稳定性的理解，也限制了其在极端环境下的应用。

松山湖材料实验室非晶团队十余年深耕非晶态物质弛豫、稳定性问题，发展了独有的跨时间尺度实验体系。团队采用几种成分和弛豫时间迥异的非晶物质系统来研究、对比其随时间的弛豫演化过程。这些玻璃包括：1）合成的Ce-基金属玻璃样品（PRL 94, 205502 (2005)）。这种金属玻璃在室温下持续老化了18年后仍保持完美非晶态（Sci. Adv. 8, eabn3623 (2022)），为认识非晶长时间弛豫及规律提供了难得的模型体系。2）形成于数千万年前的一种天然有机玻璃：波罗的海琥珀。这种天然形成的聚合物玻璃，其碳含量虽高，但因¹⁴C半衰期仅5730年，无法用于百/千万年尺度定年。3）利用我国嫦娥五号任务从月球风暴洋北部采集的月壤氧化物玻璃，这些月球玻璃样品经历了数亿年的自然老化（Sci. Adv. 9, eadi6086 (2023)）。部分月壤玻璃球粒中K、Pb等放射性元素含量较低，难以通过传统同位素测年。这三类玻璃样本，时间跨越了10个数量级，成为验证老化动力学模型的理想参照体系。

图1. 团队关于金属玻璃十八年老化和月球玻璃亿万年老化研究成果

面对如此复杂的非平衡过程，研究团队没有拘泥于传统微分方程框架，而是采用唯象建模加实验反演的策略。研究发现，尽管老化过程高度非线性，但在Struik近似下，其宏观表现仍可被一个广义的Kohlrausch-Williams-Watts (KWW)函数精确描述：

其中，有效弛豫时间τ_eff成为连接不同玻璃材料、不同温度、不同时间尺度的核心参数。

进一步分析表明，τ_eff与玻璃材料的脆性指数m（fragility）和温度T存在明确的定量关联：

这一经验公式仅需两个可测量材料常数（Tg和w≈m），即可预测任意玻璃在任意温度下的老化速率。尤为关键的发现是，脆性m决定了玻璃对温度变化的敏感程度：m 越大（如琥珀，m≈98），τ_eff随温度降低增大越快，老化相对更缓慢；m越小，则老化相对更快。

图3. 发展玻璃材料有效弛豫时间的理论模型

利用该模型，团队反演预测三类玻璃样品的“动力学年龄”。Ce基金属玻璃在环境温度288 K，波罗的海琥珀在环境温度283 K，两颗嫦娥五号月球玻璃在昼间平均温度286 K下的预测年龄分别为： 7.2 年，4950 万年和0.86/1.61亿年。而这三种玻璃的实际年龄分别为：10.5 年，3000万-5000万年和200万-20亿年。模型的理论预测年龄和实际年龄基本一致，表明该玻璃定年模型能够在合理误差范围内推测玻璃的年龄。该工作证明玻璃本身就是一部记录时间的“动力学钟表”。这项工作不仅填补了玻璃超慢非线性老化动力学的研究空白，同时提出一种类似于放射性同位素的通用玻璃定年方法，为地球科学、行星探测与考古学提供了全新的“无同位素测年”的有效工具和方法。

图4. 发展玻璃时钟定年方法

新发展的玻璃定年法具有重要的应用前景，是从考古到深空探测的“新时钟”。该方法具有三大独特优势：1）无需同位素：适用于K、U、Pb等同位素贫乏的玻璃（如月球、火星样本）；2）普适性强：已验证于金属玻璃、聚合物、氧化物三大玻璃体系；3）操作简便：仅需测量Tg、m及初始和当前物理状态（如焓、模量），即可反推年龄。

未来，该技术有望在多个领域发挥作用：在行星科学中，可用于解析嫦娥六号和天问系列任务带回的地外玻璃年代；在考古学中，可为古玻璃器、树脂化石以及丝绸蛋白玻璃等材料提供年代判定依据；在工程与工业可靠性评估中，则可用于推断光纤、OLED 封装层和核废料固化玻璃等材料的服役寿命。

图5. 未来地外玻璃材料定年应用展望

图6. 填补玻璃超慢非线性老化动力学的研究空白

本研究得到了松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所汪卫华院士的悉心指导，松山湖材料实验室赵勇副研究员和张华平副研究员为论文的共同第一作者，松山湖材料实验室张博研究员和中国科学院物理研究所白海洋研究员为论文的共同通讯作者。本项工作得到了基金委国家杰出青年科学基金项目（No. 52325104）、国家重点研发计划项目（No. 2021YFA0716302）、广东省重点领域研发计划（No. 2024B0101070001）、中国科学院基础前沿科学与基础研究局项目（No. QYJ-2025-01）、以及松山湖材料实验室青年学者项目（No. SLZL01-03）的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66472-7

撰稿：空间材料团队