Физици от САЩ твърдят, че са създали симулация, която за първи път показва, че т.нар. идеално стъкло е възможно, като по този начин разрешава парадокс, обсъждан от десетилетия.
В някои отношения стъклото, от което пиете ледена вода, има повече общо с течността, отколкото с ледените кристали, които плуват в нея. Молекулите му са разбъркани подобно на тези в течност – случайна структура, която представлява само една от безброй възможни подредби.
Идеалното стъкло обаче е различно. Това, което изглежда като хаотична маса от молекули, всъщност няма никакви други възможни конфигурации – или, както се казва във физиката, има минимална ентропия.
Този тип стъкло е обсъден за първи път през 1948 г. от химика Walter Kauzmann. Той предполага, че тъй като ентропията намалява, когато течностите се охлаждат и се превръщат в стъкло, може да съществува температура, достатъчно ниска, за да я елиминира напълно. Получената структура пак би изглеждала случайна, но би била подредена толкова прецизно, че не би могла да се пренареди по друг начин.
Подреждане на частиците в идеално стъкло (вляво) в сравнение с обикновено стъкло (вдясно). (Bolton-Lum et al., Phys. Rev. Lett., 2026)
През следващите десетилетия учените активно спорят дали подобно парадоксално „подредено стъкло“ изобщо е възможно.
В новото изследване физичката Viola Bolton-Lum от University of Oregon и нейните колеги използват компютърни модели, за да покажат, че идеалното стъкло може да съществува в две измерения. Това би било стъкло, в което частиците са подредени аморфно, но същевременно са толкова равномерни и организирани, че материалът се държи като съвършен кристал.
„Освен че разрешава дългогодишна загадка, този метод представлява ценен пряк път за създаване на добре балансирани стъкловидни системи“, пишат изследователите в публикуваната си статия.
„Създаването на подобно идеално подреждане позволява пълно изследване и обяснение на двумерните „заклинени“ и стъкловидни системи.“
Бързо става ясно, че обикновеното охлаждане не може да доведе до състояние на идеално стъкло – това би отнело безкрайно много време. Затова в моделите си учените използват нещо като „измамен код“: позволяват на частиците на стъклото да променят размера си, докато се подреждат.
Тази допълнителна гъвкавост се оказва решаваща. Получава се материал, който изглежда аморфен, но показва свойства на кристал. Полученото стъкло е много по-здраво и стабилно от обикновеното – всяка частица има средно по шест точки на контакт със съседните, което осигурява допълнителна устойчивост.
„Смятаме, че сме намерили решение, като показахме, че това състояние изобщо не е парадокс“, казва физикът Eric Corwin, също от University of Oregon, пред Phys.org. „Всъщност можем да го създадем.“
Една от разликите между идеалното и обикновеното стъкло е как реагира при удар. Вместо хаотичните вибрации, характерни за нормалното стъкло, идеалното стъкло би вибрирало съвършено равномерно – подобно на кристал като диаманта.
Новият материал би притежавал и т.нар. хиперравномерност. При поглед отблизо няма да се виждат струпвания на частици или празни пространства – всяка частица заема точното количество място.
Важно е да се подчертае, че изследването е теоретично. Никой все още не е създал идеално стъкло в лаборатория. Самите учени признават, че стандартните процеси на нагряване и охлаждане няма да са достатъчни – ще са нужни нови подходи, за да се произведе такъв материал.
Въпреки това работата показва, че идеалното стъкло не е невъзможно. Заради уникалните си свойства то вероятно би могло да се използва в много различни области, макар че засега е трудно да се каже точно в кои.
Пред учените има още много въпроси за изследване, особено как „измамният код“, използван в симулациите, може да бъде реализиран в реални производствени процеси. С напредъка в науката за материалите има основания да се смята, че един ден идеалното стъкло може наистина да бъде създадено.
„Ще са необходими нови подходи, за да се създадат подобни структури на практика, тъй като те не могат да бъдат получени чрез обичайните термични или механични процеси“, пишат изследователите.
Изследването е публикувано в списанието Physical Review Letters.
