Ученые надеются создать «идеальное стекло», которое ведет себя как кристалл

Фото из открытых источников

Американские физики заявляют, что создали модель, которая впервые демонстрирует возможность существования «идеального стекла», разрешая парадокс, существовавший десятилетиями. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

В некотором смысле, стакан, из которого вы пьете ледяную воду, имеет больше общего с самой жидкостью, чем плавающие в нем замерзшие кристаллы. Его молекулы перемешаны, как в жидкости, представляя собой случайную структуру, являющуюся лишь одним из бесчисленного множества возможных расположений.

Идеальное стекло устроено иначе. То, что кажется беспорядочным скоплением молекул, не имеет других вариантов — или, как это известно в физике, обладает минимальной энтропией.

Этот тип стекла впервые был описан в 1948 году химиком Вальтером Каузманом, который предположил, что, поскольку энтропия уменьшается по мере охлаждения жидкостей и образования стекла, может существовать температура, достаточно низкая для ее полного устранения. При этом структура стекла все еще будет случайной, но настолько точно упакованной, что ее невозможно будет изменить каким-либо другим способом.

В последующие десятилетия вопрос осуществимости создания такого парадоксально упорядоченного стекла широко обсуждался.

В новом исследовании физик из Университета Орегона Виола Болтон-Лум и ее коллеги использовали компьютерные модели, чтобы показать, что идеальное стекло возможно в двумерном пространстве — стекло с частицами, имеющими аморфное расположение, но при этом высокоупорядоченными и однородными, так что оно ведет себя как идеальный кристалл.

«Помимо разрешения давней загадки, эта методология представляет собой ценный способ быстрого получения хорошо сбалансированных стеклообразных систем», — пишут исследователи. «Создание такой идеальной упаковки позволяет всесторонне исследовать и объяснить двумерные заклинившие и стеклообразные системы».

Было очевидно, что обычное охлаждение не позволит достичь идеального состояния стекла — на это потребуется бесконечно много времени. Для своих моделей они ввели своего рода «чит-код», позволяющий изменять размер частиц стекла в процессе их упаковки.

Эта дополнительная степень гибкости имеет решающее значение, позволяя получить стекло, которое выглядит аморфным, но обладает кристаллическими свойствами. В частности, полученное стекло гораздо более твердое и стабильное, чем обычное, причем каждая частица имеет в среднем шесть точек контакта с соседней частицей для дополнительной поддержки.

«Мы считаем, что нашли решение, показав, что такое состояние вовсе не является парадоксом», — сказал физик Эрик Корвин из Университета Орегона. «Действительно, мы можем его построить».

Одно из отличий идеального стекла от обычного заключается в том, как оно будет реагировать при ударе. Вместо того чтобы вызывать довольно хаотичные, беспорядочные вибрации, характерные для обычного стекла, идеальное стекло будет вибрировать с идеальной равномерностью – как, например, алмаз.

В новом материале также будет наблюдаться так называемая гиперравномерность. При ближайшем рассмотрении не будет видно скоплений частиц или пустых промежутков, каждая частица будет занимать ровно столько места, сколько необходимо.

Важно помнить, что это исследование носит теоретический характер: идеальное стекло еще никто не изготовил в лаборатории. Более того, исследователи признают, что стандартных процессов нагрева и охлаждения будет недостаточно для создания такого стекла — прежде чем его можно будет производить, необходимо будет найти новые подходы.

Однако эта работа показывает, что идеальное стекло не является чем-то невозможным, и, учитывая его особые свойства, оно, вероятно, подошло бы для самых разных целей. Трудно сказать, для каких именно целей, учитывая, что еще слишком рано представлять себе возможности этого материала.

Исследователям предстоит изучить множество аспектов идеального стекла и его разработки, в частности, как можно воспроизвести «чит-код», используемый в симуляциях, в реальных физических производственных процессах. Учитывая достижения в материаловении, есть основания полагать, что идеальное стекло когда-нибудь может существовать.

«Для практического создания таких наполнителей потребуются новые подходы, поскольку они недоступны при использовании обычных термических или механических процессов», — пишут исследователи. «Для практического создания подобных систем потребуется разработка физической реализации нашего алгоритма».