Jeśli szkło nie jest ciałem stałym ani cieczą, co to jest? Zdjęcie użytkownika Flickr -Kenzie-
Kieliszek merlota może sprawić, że świat będzie wyglądał różowo, ale może też być źródłem frustracji dla fizyka. Wino leje się, rozpryskuje i wiruje, ale szkło pozostaje sztywne jak solidne naczynie. Powiększ merlot, a zobaczysz cząsteczki trzymane blisko siebie, ale poruszające się bez ustalonej pozycji. Powiększ kieliszek do wina, a zobaczysz również ten nieuporządkowany układ, ale bez ruchu.
Na poziomie atomowym obie formy materii wyglądają tak samo. Mimo, że szkło jest zamrożone w stanie stałym, brakuje mu sztywnej struktury krystalicznej występującej, powiedzmy, w kostkach lodu.
Naukowcy badający szkło zaobserwowali zniekształcone wersje dwudziestościanów (dwudziestościan po lewej, zniekształcona wersja po prawej). Zdjęcie: Science / Chen i Kotani
Chociaż rzemieślnicy produkują szkło od tysiącleci, a naukowcy badają jego strukturę od dziesięcioleci, do tej pory nie było wyraźnych dowodów eksperymentalnych, które mogłyby potwierdzić, co zapobiega krystalizacji cieczy tworzących szkła. W nowym artykule opublikowanym online w Science zespół japońskich naukowców zastosował mikroskop dyfrakcyjny elektronów o dużej mocy oglądać szkło w najmniejszej jak dotąd skali. W tak wysokiej rozdzielczości zobaczyli coś, co wygląda na podstawową jednostkę niektórych szkieł - atomów zapakowanych w zniekształconą wersję dwudziestościanu, trójwymiarowego kształtu z 20 twarzami.
Dzięki wyrafinowanym narzędziom geometrycznym zespół scharakteryzował te zniekształcenia, informując w artykule, że pozwalają one systemowi „zachować gęste upakowanie atomowe i stan niskiej energii”. Naukowcy konkludują, że pewne układy atomów są samą istotą szklistości, ponieważ zakłócać rozwój dobrze zorganizowany kryształ.
Wiele widoków mikroskopowych obrazów atomów w szkle (po prawej) pozwoliło badaczom na wykreślenie poziomu zniekształceń określonych dwudziestościanów, które organizowały atomy (po lewej). Zdjęcie: Science / Chen i Kotani
Chociaż naukowcy badali szkło wykonane z cyrkonu i platyny, a nie średnią szybę, wyniki mogą być szersze. Dzięki zrozumieniu, w jaki sposób organizują się atomy, naukowcy zajmujący się materiałami mogą znaleźć sposoby na tworzenie nowych okularów i manipulowanie tymi, które mają.
Ale szkło jest dalekie od zrozumienia. Podczas gdy badanie wyjaśnia, dlaczego niektóre płyny tworzą szklanki zamiast krystalizować, nie wyjaśnia, dlaczego te ciecze mogą stać się wystarczająco powolne, aby stały się stałe, mówi chemik z Uniwersytetu Duke Patrick Charbonneau. Duża społeczność naukowców próbuje rozwiązać problem ospałości od lat 80. XX wieku , ale nie mogą zgodzić się na rozwiązanie, a nawet spierają się o najlepsze podejście.
Jedna popularna strategia robi krok wstecz, aby spróbować zrozumieć, w jaki sposób atomy wypełniają daną przestrzeń. Traktuje atomy w szkle jak twarde kule upakowane razem. Proste, prawda? „Nie ma mechaniki kwantowej, nie ma teorii strun, nie trzeba odwoływać się do kosmosu” - mówi Charbonneau. A jednak nawet badanie szkła w ten sposób okazało się niezwykle trudne ze względu na komplikacje związane z ustaleniem, jakie pozycje może zajmować tak wiele cząstek. Oprócz nieodłącznego wyzwania, jakim jest opisanie rozmieszczenia sfer, podejście jest uproszczeniem i nie jest jasne, jak odpowiednie byłoby to dla okularów w świecie rzeczywistym.
Mimo to Charbonneau wydaje się pełen energii, kiedy mówi o takich problemach badawczych. Jego kieliszek merlot jest w połowie pełny, ponieważ uważa, że ostatnie lata przyniosły ogromny postęp. Mówi, że naukowcy stali się bardziej kreatywni w zadawaniu pytań na temat szkła. Własne badania Charbonneau symulują szkło w wyższych wymiarach, co może mieć ważne implikacje dla stopnia zaburzenia w trójwymiarowym szkle. Inni badacze zastanawiają się, co by się stało, gdyby unieruchomić niektóre cząstki w przechłodzonej cieczy, mając nadzieję na wyjaśnienie, w jaki sposób płyny te osiągają stan szklisty. Jeszcze więcej rozważa atomy w szkle jako byty, które mogą poruszać się same, podobnie jak komórki biologiczne. Wszystkie te wysiłki próbują określić rodzaje interakcji, które przyczyniają się do powstawania szkła, aby naukowcy rozpoznali naprawdę dobrą teorię powolności, gdy ją zobaczą.
Pomimo tych wszystkich rozmów o ruchu, nie oczekuj, że twój kieliszek do wina przepłynie w jakikolwiek widoczny sposób w najbliższym czasie. To szkło „wytrzyma dłużej niż skala czasu wszechświata”, mówi Charbonneau. Twierdzi, że witraże w średniowiecznych katedrach są grubsze na dole, ponieważ przepływy szkła są piętrowe. Ale dokładnie, dlaczego nie płynie, wciąż pozostaje tajemnicą.
