理解物质的结构是人类认识世间万物的基础。非晶态物质是真实世界重要的组成部分，但要深刻认识非晶态物质的结构，依然任重而道远。以“国际玻璃年”为契机，文章介绍了以玻璃为代表的非晶态物质，其结构难题的起源、研究现状、进展与展望。
某一个冬日的午后，你或许也曾和我一样驻足窗前，欣赏玻璃窗外晶莹的雪花(图1)，为它们的缤纷和规则之美而痴迷。但你可曾意识到，雪花和玻璃同样晶莹剔透，却属于“结构”特征不同却又紧密关联的两类物质——晶态与非晶态物质呢？
什么是结构？
当人类在好奇心的驱使下探索物质世界，大到星辰宇宙，小到原子分子，总有一些问题跨越时空，亘古未变——如：它们是由什么单元组成、以什么方式排列，从而呈现出如此让人着迷的缤纷？为了回答这些问题，人类做出了一件了不起的事：对物质或材料的组成单元、排列方式进行定量描述，将之定义为“结构”；同时也创造了理解世界的独特方式：认识和掌握各类物质或材料复杂的“结构”。
非晶态物质的结构
顾名思义，非晶态物质即不是晶态的物质。典型的非晶态物质有液体、玻璃、胶体和颗粒体4大类[1，2]，它们广泛地存在于自然界，远远多于晶态物质。玻璃作为典型的非晶态物质，是人类使用最古老、最广泛的材料之一：它们出现在远古人类的火堆旁；出现在古埃及图坦卡蒙王的圣甲虫首饰上；出现在东汉时期聚光取火的日光下。
时至今日，我们却依然无法给非晶态物质一个和描述晶态物质那样的严格定义，最根本原因是其组成单元的排列方式——即“结构”不像晶态物质那样“有序”(图3)[3]。人们基于它们组成单元的排列特征，给了非晶一个比较宽泛的定义：组成颗粒、原子或分子在空间排列不呈现像晶体那样的长程对称性，而只是在几个特征间距的范围内保持某些有序特征的物质[4]。
非晶态物质结构研究进展
随着实验表征技术的不断进步、计算机模拟方法的发展及新的结构解析思想的引入，人们对非晶这一复杂体系结构的认知取得了较大的进展。此外，非晶态物质大家庭的年轻成员金属玻璃的发现及人们对它持久的热情也极大地推动了对于非晶结构的研究。
展望
阿瑟·爱丁顿在《物理科学的哲学》一书中对“结构”的概念作了如下阐述：“结构的概念是从相应的一般概念中通过消除所有在群结构中没有发挥实质性作用的事物的概念而获得的”。
这是关于结构一般性的定义，它阐述了一条至关重要的信息：结构应该是在所有描述物质组成方式的概念中发挥了实质性作用的定义或概念。因而，我们真正认清一个物质或材料的“结构”，需要能够基于该“结构”的定量表征来建立起与该材料特殊物性的准确关联，构建以“结构”特征为基础的基本理论框架。
非晶物质是非常复杂的体系，无论是结构还是性能在跨越时、空尺度时都存在巨大差异：宏观尺度上，它各向同性、均匀，但在微观上，又具有纳米和微米尺度的结构不均匀；在短的时间尺度，它表现为固体的性质，但在长的时间尺度，它又表现出流动的属性(参见经历百年的沥青滴落实验)，这注定表征非晶的无序结构，建立其与性能的相关性从基本理论到实验手段上都极其困难。
科学家们孜孜不倦地探索如何才能准确地表征非晶态物质的“结构”，使得可以从它们的结构特征出发，更深刻地认识该类物质独特的物理性质。以金属玻璃为例，自其被发现以来，人们对它原子结构的认识经历了从原子无序、原子密堆到原子团簇密堆的精彩历程[32](图14)：将描述原子结构的参量从成千上万的单个原子简化成了成百上千的具有相似对称性的原子团簇，并取得了一定的阶段性进展。
但随着人们对原子团簇堆垛模型的深入研究，发现其在理解和关联材料相关物性方面存在困难和不足。实验表征技术的发展使得我们有可能获得非晶物质中所有粒子/原子的精确坐标信息，为计算机模拟提供收敛的目标，但仍然不能为解决非晶结构难题带来革命性的突破。
即便我们知道真实非晶物质中每一个粒子的准确位置，却依然面临由计算机模拟获得结构模型同样的挑战——我们如何准确地描述这些原子或组成单元的堆积方式，并基于这些结构特征构建非晶结构—物性关联。