خمسة ألغاز زجاجية ما زلنا لا نستطيع تفسيرها: من النظارات المعدنية إلى نظائرها غير المتوقعة

الأسطورة المتدفقة

انظر من خلال النوافذ الزجاجية الملونة في أي كنيسة من العصور الوسطى ، ومن المؤكد أنك سترى منظرًا مشوهًا. وقد دفع هذا التأثير العلماء وغير العلماء على حد سواء منذ فترة طويلة للاشتباه في أن الزجاج يتدفق مثل سائل لزج بشكل استثنائي ، إذا ما تم منحه وقتًا كافيًا. لكن هل هناك أي صحة لهذا الادعاء؟

السؤال ليس مباشرًا كما قد يبدو للوهلة الأولى. في الحقيقة ، لا أحد يستطيع أن يقول على وجه التحديد متى يتوقف السائل عن كونه سائلًا ويبدأ في أن يكون كوبًا. تقليديًا ، يقول الفيزيائيون إن السائل أصبح كأسًا عندما يكون الاسترخاء الذري - الوقت الذي تستغرقه الذرة أو الجزيء لتحريك جزء كبير من قطره - أطول من 100 ثانية. معدل الاسترخاء هذا حوالي 10¹⁰ أبطأ مرات من العسل السائل ، و 10¹⁴ مرات أبطأ مما كانت عليه في الماء. لكن اختيار هذه العتبة تعسفي: فهي لا تعكس أي تغيير واضح في الفيزياء الأساسية.

ومع ذلك ، فإن الاسترخاء لمدة 100 ثانية هو أمر حاسم لجميع الأغراض البشرية. وبهذا المعدل ، فإن قطعة من زجاج الجير الصودا تستغرق دهورًا لتتدفق ببطء وتتحول إلى ثاني أكسيد السيليكون البلوري الأكثر ملاءمة للطاقة - والمعروف أيضًا باسم الكوارتز. إذا كان الزجاج الملون في كنائس العصور الوسطى مشوهًا ، فمن المرجح أن يكون ذلك نتيجة لتقنية صانع الزجاج الأصلي (وفقًا للمعايير الحديثة) الرديئة. من ناحية أخرى ، لم يقم أي شخص بتجربة ألف عام للتحقق منها.

بحثا عن الزجاج "المثالي"

عندما يبرد السائل ، يمكن أن يتصلب في الزجاج أو يتبلور. ومع ذلك ، فإن درجة الحرارة التي ينتقل عندها السائل إلى الزجاج ليست ثابتة. إذا كان من الممكن تبريد السائل ببطء شديد بحيث لا يشكل بلورة ، فسينتقل السائل في النهاية إلى زجاج عند درجة حرارة منخفضة ، ويشكل سائلًا أكثر كثافة نتيجة لذلك. ال الكيميائي الأمريكي والتر كوزمان لاحظ هذه الحقيقة في أواخر الأربعينيات ، واستخدمها للتنبؤ بدرجة الحرارة التي يتشكل عندها الزجاج إذا تم تبريد السائل "في حالة توازن" - أي ببطء شديد. ومن المفارقات أن "الزجاج المثالي" الناتج سيكون له نفس الانتروبيا مثل البلورة ، على الرغم من كونه لا يزال غير متبلور أو غير منظم. بشكل أساسي ، الزجاج المثالي هو المكان الذي يتم فيه تجميع الجزيئات معًا في أكبر ترتيب عشوائي ممكن.

في عام 2014 علماء الفيزياء بما في ذلك جورجيو باريزي من جامعة سابينزا في روما في إيطاليا (الذي شارك في جائزة نوبل للفيزياء لعام 2021 ، عن عمله على "التفاعل بين الفوضى والتقلبات في الأنظمة الفيزيائية") وضع مخططًا دقيقًا للطور لتشكيل زجاج مثالي ، في (أسهل رياضيًا) حد الأبعاد المكانية اللانهائية. عادة ، يمكن أن تكون الكثافة معلمة ترتيب للتمييز بين الحالات المختلفة ، ولكن في حالة الزجاج والسائل ، تكون الكثافة متماثلة تقريبًا. بدلاً من ذلك ، كان على الباحثين اللجوء إلى وظيفة "التداخل" ، والتي تصف التشابه في مواضع الجزيئات في تكوينات مختلفة غير متبلورة محتملة ، عند نفس درجة الحرارة. ووجدوا أنه عندما تكون درجة الحرارة أقل من درجة حرارة Kauzmann ، يكون النظام عرضة للوقوع في حالة مميزة مع تداخل عالٍ: مرحلة زجاجية.

في ثلاثة أبعاد ، أو في الواقع أي عدد محدود من الأبعاد ، تكون نظرية التزجج أقل تأكيدًا. حاول بعض المنظرين وصفها بالديناميكا الحرارية ، مرة أخرى باستخدام مفهوم الزجاج المثالي. يعتقد البعض الآخر أنها عملية "ديناميكية" يتم فيها ، عند درجات حرارة منخفضة تدريجيًا ، إيقاف المزيد والمزيد من جيوب الجزيئات ، حتى يصبح الجزء الأكبر من الزجاج أكثر من عدمه. لفترة طويلة ، كان أنصار المعسكرين على خلاف. ومع ذلك ، في العامين الماضيين ، كان منظِّر المادة المكثفة بادي رويال في ESPCI Paris في فرنسا وزملاؤه أنهم أظهروا كيف يمكن التوفيق بين النهجين إلى حد كبير (جيه. كيم. فيز. 153 090901). يقول: "لقد ضاعت الكثير من المقاومة [للاتفاق] التي رأيناها قبل 20 عامًا".

طريقان للحصول على زجاج أفضل

لتغيير خصائص الزجاج ، لديك خياران أساسيان: تغيير تركيبته ، أو تغيير طريقة معالجته. على سبيل المثال ، فإن استخدام البورسليكات بدلاً من الصودا والجير العادي يجعل الزجاج أقل عرضة للتوتر عند تسخينه ، ولهذا السبب غالبًا ما يستخدم زجاج البورسليكات بدلاً من جير الصودا النقي لأواني الخبز. لجعل الزجاج أكثر قوة ، يمكن تبريد سطحه الخارجي بسرعة أكبر من حجمه في عملية "التقسية" ، كما هو الحال في Pyrex الأصلي من Corning.

من ابتكارات Corning الأخرى ، Gorilla Glass للهواتف الذكية ، وصفة أكثر تعقيدًا للتركيب والمعالجة لتحقيق خصائصها القوية المقاومة للخدش. مادة قلوية-ألومينوسيليكات في القلب ، يتم إنتاجها في ورقة وسط الهواء في عملية خاصة سريعة التسقية "سحب الانصهار" ، قبل غمرها في محلول ملح مصهور لتقوية كيميائية إضافية.

عادة ، كلما كان الزجاج أكثر كثافة ، كان أقوى. في السنوات الأخيرة ، اكتشف الباحثون أنه يمكن إنشاء زجاج كثيف جدًا عن طريق ترسب بخار فيزيائي ، حيث يتم تكثيف مادة متبخرة على سطح في فراغ. تسمح هذه العملية للجزيئات بالعثور على العبوات الأكثر فاعلية واحدة تلو الأخرى ، مثل لعبة Tetris.

إتقان المعدن

في 1960 بول دوزكان فيزيائيًا بلجيكيًا للمادة المكثفة يعمل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بكاليفورنيا بالولايات المتحدة ، يقوم بسرعة بتبريد المعادن المنصهرة بين زوج من البكرات المبردة - وهي تقنية تُعرف باسم التبريد بالتبريد - عندما اكتشف أن المعادن الصلبة قد تحولت إلى زجاج. منذ ذلك الحين ، أذهلت النظارات المعدنية علماء المواد ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى صعوبة صنعها وجزئيًا بسبب خصائصها غير العادية.

مع عدم وجود حدود حبيبية متأصلة في المعادن البلورية العادية ، فإن الزجاج المعدني لا يتآكل بسهولة وهذا هو السبب في أن وكالة ناسا اختبرتها لاستخدامها في علب التروس الخالية من مواد التشحيم ، كما هو موضح هنا ، في الروبوتات الفضائية الخاصة بها. تقاوم هذه النظارات أيضًا امتصاص الطاقة الحركية - على سبيل المثال ، سترتد كرة مصنوعة من المادة لفترة طويلة بشكل غريب. تتمتع الزجاج المعدني أيضًا بخصائص مغناطيسية ناعمة ممتازة ، مما يجعلها جذابة للمحولات عالية الكفاءة ، ويمكن تصنيعها بأشكال معقدة ، مثل البلاستيك.

ستتحول الكثير من المعادن إلى الزجاج فقط (إذا فعلت ذلك على الإطلاق) بمعدلات تبريد سريعة بشكل مذهل - مليارات الدرجات في الثانية أو أكثر. لهذا السبب ، يبحث الباحثون عادةً عن السبائك التي تنتقل بسهولة أكبر ، عادةً عن طريق التجربة والخطأ. ومع ذلك ، في السنوات القليلة الماضية ، كين كيلتون في جامعة واشنطن في سانت لويس ، اقترح US وزملاؤه أنه من الممكن التنبؤ بدرجة حرارة التزجج المحتملة عن طريق قياس لزوجة القص والتمدد الحراري لمعدن سائل (اكتا ماتر. 172 1). ركض كيلتون وفريقه أ مشروع بحثي حول محطة الفضاء الدولية، لدراسة درجة الحرارة التي يصبح فيها المعدن زجاجيًا بالفعل ، ووجد أن عملية الانتقال تبدأ بينما لا يزال المعدن سائلاً. من خلال قياس مدى لزوجة السائل ، يمكن للباحثين الآن تحديد ما إذا كان الزجاج سيتشكل ، وما هي بعض خصائصه. إذا أصبح التنبؤ أمرًا شائعًا ، فقد يكون الأمر كذلك بالنسبة للزجاج المعدني في الأجهزة التجارية. في الواقع ، تمتلك شركة Apple الأمريكية للتكنولوجيا منذ فترة طويلة براءة اختراع لاستخدام الزجاج المعدني على أغلفة الهواتف الذكية ، لكنها لم تضعه موضع التنفيذ - ربما بسبب صعوبة العثور على زجاج معدني قابل للتطبيق اقتصاديًا.

مستقبل مواد تغيير الطور

قد تكون الخواص الميكانيكية للزجاج والبلورات مختلفة ، ولكن عادة ما تكون خواصها البصرية والإلكترونية متشابهة إلى حد ما. بالنسبة للعين غير المدربة ، على سبيل المثال ، يبدو زجاج ثاني أكسيد السيليكون العادي تقريبًا مثل الكوارتز ، نظيره البلوري. لكن بعض المواد - لا سيما الكالكوجينيدات ، التي تتضمن عناصر من مجموعة الأكسجين في الجدول الدوري - لها خصائص بصرية وإلكترونية مختلفة بشكل ملحوظ في حالتها الزجاجية والبلورية. إذا كانت هذه المواد أيضًا عبارة عن صانعي زجاج "سيئين" (أي ، تتبلور عند تسخينها بشكل متواضع) ، فإنها تعمل كما تسمى مواد تغيير الطور.

سيتعامل معظمنا مع مواد تغيير الطور في وقت أو آخر: فهي وسيلة تخزين البيانات لأقراص DVD القابلة لإعادة الكتابة والأقراص الضوئية الأخرى. أدخل واحدة من هذه في محرك مناسب ، ويمكن لليزر تبديل أي بت على القرص بين الحالة الزجاجية والبلورية ، مما يمثل صفرًا ثنائيًا أو واحدًا. اليوم ، تم استبدال الأقراص الضوئية إلى حد كبير بذاكرة "الفلاش" الإلكترونية ، والتي تتميز بكثافة تخزين أكبر ولا تحتوي على أجزاء متحركة. يستخدم زجاج Chalcogenide أيضًا في بعض الأحيان في الدوائر الضوئية المتكاملة الضوئية ، كما هو موضح هنا. استمرت مواد تغيير الطور في العثور على تطبيقات في تخزين البيانات بواسطة شركة التكنولوجيا الأمريكية Intel و Optane التابعة لها العلامة التجارية للذاكرة ، والتي يسهل الوصول إليها ولكنها غير متطايرة (لا يتم محوها عند إيقاف تشغيل الطاقة). ومع ذلك ، يظل هذا التطبيق مناسبًا.

أكثر ربحية ، كما يقول منظّر الحالة الصلبة ماتياس ووتيج في جامعة آر دبليو تي أتش آخن ، ألمانيا، هو السؤال من أين تأتي خاصية تغيير الطور. قبل أربع سنوات ، اقترح هو وآخرون نوعًا جديدًا من الترابط الكيميائي ، الترابط "الميتافالنت" ، لشرح أصله. وفقًا لـ Wuttig ، يوفر الترابط metavalent بعضًا من عدم تمركز الإلكترون ، كما هو الحال في الترابط المعدني ، ولكن مع خاصية مشاركة الإلكترون المضافة ، كما هو الحال في الرابطة التساهمية. الخصائص الفريدة ، بما في ذلك تغيير الطور ، النتيجة (حال. الأم. 30 1803777). لا يرغب كل من في هذا المجال في إضافة نوع جديد من الترابط إلى الكتب المدرسية ، لكن Wuttig يعتقد أن الدليل سيكون في الحلوى. يقول: "السؤال الآن هو ما إذا كانت [الرابطة الميتافالنتية] لها قوة تنبؤية". "ونحن مقتنعون بذلك."

زجاج حيث لا تتوقعه على الأقل

سيتعرف عشاق المهرجانات الموسيقية على هذه الظاهرة: فأنت تحاول ببطء أن تترك عرضًا مع الآلاف من الأشخاص الآخرين ، عندما يتوقف الحشد فجأة ، ولا يمكنك التحرك أكثر من ذلك. مثل جزيء في السيليكا المنصهرة المبردة ، يتم إيقاف حركتك فجأة - لقد تحولت أنت ورفاقك في المهرجان إلى كأس. أو نظير زجاجي ، على الأقل.

تشمل نظائرها الزجاجية الأخرى مستعمرات النمل ، والخلايا البيولوجية المحصورة بين الشرائح ، والغرويات ، مثل رغوة الحلاقة (انظر الصورة أعلاه). الغرويات على وجه الخصوص ، ذات الجسيمات التي يصل حجمها إلى ميكرونات ، هي أنظمة ملائمة لاختبار نظريات التزجج ، حيث يمكن رؤية ديناميكياتها من خلال المجهر. لكن الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو ظهور سلوك الزجاج في بعض خوارزميات الكمبيوتر. على سبيل المثال ، إذا تم تصميم خوارزمية للبحث بشكل تدريجي عن حلول أفضل لمشكلة ذات عدد كبير من المتغيرات ، فيمكن أن تغمرها التعقيد وتتوقف قبل العثور على الحل الأمثل. من خلال استعارة الأساليب الإحصائية المصممة للدراسة الأساسية للنظارات ، يمكن تحسين هذه الخوارزميات وإيجاد حلول أفضل.