Fem glasagtige mysterier, vi stadig ikke kan forklare: fra metalliske briller til uventede analoger

Den flydende myte

Kig gennem de farvede glasvinduer i enhver middelalderkirke, og du vil næsten helt sikkert se en forvrænget udsigt. Effekten har længe fået videnskabsmænd og ikke-videnskabsmænd til at have mistanke om, at glas flyder som en usædvanlig tyktflydende væske, hvis der er tid nok. Men er der nogen gyldighed i denne påstand?

Spørgsmålet er ikke så ligetil, som det måske umiddelbart ser ud. I sandhed kan ingen sige præcist, hvornår en væske holder op med at være en væske og begynder at være et glas. Konventionelt siger fysikere, at en væske er blevet til et glas, når den atomare afslapning - tiden for et atom eller molekyle til at flytte en betydelig del af sin diameter - er længere end 100 sekunder. Denne afslapningsrate er omkring 10¹⁰ gange langsommere end i flydende honning, og 10¹⁴ gange langsommere end i vand. Men valget af denne tærskel er vilkårligt: ​​den afspejler ingen tydelig ændring i den grundlæggende fysik.

Alligevel er en afslapning på 100 sekunder endegyldig for alle menneskelige formål. Med denne hastighed ville et stykke almindeligt soda-kalkglas tage evigheder om langsomt at flyde og blive til det mere energisk gunstige krystallinske siliciumdioxid - også kendt som kvarts. Hvis det farvede glas i middelalderkirker er skævt, er det derfor mere sandsynligt et resultat af den originale glasmagers (efter moderne standarder) dårlige teknik. På den anden side har ingen udført et tusindårigt eksperiment for at kontrollere.

På jagt efter det "ideelle" glas

Når en væske afkøles, kan den enten hærde til et glas eller krystallisere. Temperaturen, ved hvilken en væske overgår til et glas, er dog ikke fast. Hvis en væske kan afkøles så langsomt, at den ikke danner en krystal, så vil væsken i sidste ende overgå til et glas ved en lavere temperatur, og som følge heraf danne et tættere. Det Den amerikanske kemiker Walter Kauzmann bemærkede dette faktum i slutningen af ​​1940'erne, og brugte det til at forudsige den temperatur, ved hvilken et glas ville dannes, hvis en væske blev afkølet "i ligevægt" - det vil sige uendeligt langsomt. Det resulterende "ideelle glas" ville paradoksalt nok have samme entropi som en krystal, på trods af at det stadig er amorft eller uordnet. I det væsentlige er et ideelt glas, hvor molekyler er pakket sammen i det tættest mulige tilfældige arrangement.

I 2014 fysikere inkl Giorgio Parisi fra Sapienza Universitetet i Rom i Italien (som delte 2021 Nobelprisen i fysik for sit arbejde med "samspillet mellem uorden og fluktuationer i fysiske systemer") udarbejdede et nøjagtigt fasediagram for dannelsen af ​​et ideelt glas, i den (matematisk lettere) grænse for uendelige rumlige dimensioner. Normalt kan tæthed være en ordensparameter for at skelne mellem forskellige tilstande, men i tilfælde af glas og en væske er massefylden nogenlunde den samme. I stedet måtte forskerne ty til en "overlapnings"-funktion, som beskriver ligheden i positioner af molekyler i forskellige mulige amorfe konfigurationer ved samme temperatur. De fandt ud af, at når temperaturen er mindre end Kauzmann-temperaturen, er systemet tilbøjeligt til at falde i en særskilt tilstand med et højt overlap: en glasfase.

I tre dimensioner, eller faktisk et hvilket som helst lille endeligt antal dimensioner, er teorien om glasovergangen mindre sikker. Nogle teoretikere har forsøgt at beskrive det termodynamisk, igen ved at bruge det ideelle glaskoncept. Andre mener, at det er en "dynamisk" proces, hvor ved gradvist lavere temperaturer bliver flere og flere lommer af molekyler standset, indtil hele hovedparten bliver mere glas end ikke. I lang tid har fortalere for de to lejre været i strid. I de sidste par år, men kondenseret-stof teoretiker Paddy Royall hos ESPCI Paris i Frankrig og kolleger hævder at have vist, hvordan de to tilgange stort set kan forenes (J. Chem. Phys. 153 090901). "Meget af den modstand [mod aftale], vi så for 20 år siden, er gået tabt," siger han.

To veje til et bedre glas

For at ændre glasets egenskaber har du to grundlæggende muligheder: ændre dets sammensætning eller ændre den måde, det behandles på. For eksempel gør brug af borosilikat frem for almindelig sodavand og kalk, glasset mindre udsat for stress, når det opvarmes, hvilket er grunden til, at borosilikatglas ofte bruges i stedet for ren sodakalk til bagværk. For at gøre glasset endnu mere robust, kan dets ydre overflade afkøles hurtigere end dets bulk i en "tempereringsproces", som i Cornings originale Pyrex.

En anden af ​​Cornings innovationer, Gorilla Glass til smartphones, har en mere kompliceret opskrift på sammensætning og forarbejdning for at opnå sine stærke, ridsefaste egenskaber. Et alkali-aluminosilikatmateriale i hjertet, det er produceret i en plade i luften i en speciel hurtig quenched "fusion drawn" proces, før det nedsænkes i en smeltet saltopløsning for yderligere kemisk forstærkning.

Typisk, jo tættere et glas er, jo stærkere er det. I de senere år har forskere opdaget, at meget tæt glas kan skabes ved fysisk dampaflejring, hvor et fordampet materiale kondenseres på en overflade i et vakuum. Processen gør det muligt for molekyler at finde deres mest effektive pakning én ad gangen, som et spil Tetris.

At mestre det metalliske

I 1960 Pol Duwez, en belgisk kondenseret-stof-fysiker, der arbejdede hos Caltech i Californien, USA, afkølede hurtigt smeltede metaller mellem et par afkølede valser – en teknik kendt som sprøjteslukning – da han opdagede, at de størknede metaller var blevet glasagtige. Siden da har metalliske briller begejstret materialeforskere, dels fordi de er så svære at lave og dels på grund af deres usædvanlige egenskaber.

Med ingen af ​​de korngrænser, der er iboende i almindelige krystallinske metaller, slides metalliske briller ikke let, hvilket er grunden til, at NASA har testet dem til brug i smøremiddelfri gearkasser, som ses her, i deres rumrobotter. Disse briller modstår også absorption af kinetisk energi - for eksempel vil en kugle lavet af materialet hoppe i underligt lang tid. Metalliske glas har også fremragende bløde magnetiske egenskaber, hvilket gør dem attraktive for højeffektive transformere og kan fremstilles i indviklede former, som plastik.

Mange metaller bliver kun glasagtige (hvis de overhovedet gør det) ved betagende hurtige afkølingshastigheder - milliarder af grader i sekundet eller mere. Af den grund søger forskerne normalt legeringer, der lettere skifter, typisk ved forsøg og fejl. I de seneste par år har Ken Kelton ved Washington University i St. Louis, USA og kolleger har foreslået, at det er muligt at forudsige den sandsynlige glasovergangstemperatur ved at måle forskydningsviskositeten og den termiske udvidelse af et flydende metal (Acta Mater. 172 1). Kelton og hans hold løb en forskningsprojekt om den internationale rumstation, for at studere den temperatur, ved hvilken et metal faktisk bliver glasagtigt, og fandt ud af, at overgangsprocessen starter, mens metallet stadig er en væske. Ved at måle, hvor tyktflydende væsken er, kan forskerne nu afgøre, om et glas vil dannes, og hvad nogle af dets egenskaber vil være. Skulle forudsigelse blive almindelig, så kunne metalliske briller også i kommercielle enheder. Faktisk har det amerikanske tech-selskab Apple længe haft patent på brugen af ​​metallisk glas på smartphone-covers, men har aldrig omsat det i praksis – måske på grund af vanskeligheden ved at finde et metallisk glas, der er økonomisk rentabelt.

Fremtiden for faseændringsmaterialer

De mekaniske egenskaber af glas og krystaller kan være forskellige, men normalt er deres optiske og elektroniske egenskaber ret ens. For det utrænede øje, for eksempel, ser normalt siliciumdioxidglas næsten det samme ud som kvarts, dets krystallinske modstykke. Men nogle materialer - især chalcogenider, som omfatter elementer fra iltgruppen i det periodiske system - har optiske og elektroniske egenskaber, der er markant forskellige i deres glasagtige og krystallinske tilstande. Hvis disse materialer også tilfældigvis er "dårlige" glasdannere (det vil sige krystalliserer, når de opvarmes beskedent), så fungerer de som såkaldte faseskiftematerialer.

De fleste af os vil have håndteret faseændringsmaterialer på et eller andet tidspunkt: de er datalagringsmediet for genskrivbare dvd'er og andre optiske diske. Indsæt en af ​​disse i et passende drev, og en laser kan skifte enhver bit på disken mellem den glasagtige og krystallinske tilstand, hvilket repræsenterer et binært nul eller et. I dag er optiske diske stort set blevet erstattet af elektronisk "flash"-hukommelse, som har en større lagertæthed og ingen bevægelige dele. Chalcogenidglas bruges også nogle gange i fotoniske integrerede optiske kredsløb, som vist her. Faseændringsmaterialer er fortsat med at finde applikationer i datalagring af Det amerikanske teknologiselskab Intel og dets "Optane" hukommelsesmærke, som er hurtig at få adgang til, men alligevel ikke-flygtig (den slettes ikke, når strømmen slukkes). Denne applikation forbliver dog niche.

Mere rentabelt, siger solid state-teoretiker Matthias Wuttig ved RWTH Aachen University, Tyskland, er at spørge, hvor faseskifteegenskaben kommer fra. For fire år siden foreslog han og andre en ny type kemisk binding, "metavalent" binding, for at forklare dens oprindelse. Ifølge Wuttig giver metavalent binding en vis elektrondelokalisering, som ved metallisk binding, men med en tilføjet elektrondelingskarakter, som ved kovalent binding. Unikke egenskaber, herunder faseskiftende, resultat (Adv. Mater. 30 1803777). Ikke alle i feltet ønsker at tilføje en ny type binding til lærebøgerne, men Wuttig mener, at beviset vil være i buddingen. "Spørgsmålet er nu, om [metavalent binding] har forudsigelseskraft," siger han. "Og det er vi overbeviste om."

Glas hvor du mindst venter det

Fans af musikfestivaler vil genkende fænomenet: Du forsøger langsomt at forlade en forestilling sammen med tusindvis af andre mennesker, da publikum pludselig går i stå, og du ikke kan bevæge dig mere. Som et molekyle i afkøling af smeltet silica bliver din bevægelse pludselig standset - du og dine medfestivalgæster er blevet til et glas. Eller en glasanalog i det mindste.

Andre glasanaloger omfatter myrekolonier, biologiske celler fanget mellem objektglas og kolloider, såsom barberskum (se billedet ovenfor). Især kolloider med partikler på op til mikron i størrelse er praktiske systemer til at teste teorier om glasovergangen, da deres dynamik faktisk kan ses gennem et mikroskop. Endnu mere overraskende er begyndelsen af ​​glasadfærd i visse computeralgoritmer. For eksempel, hvis en algoritme er designet til at finde frem til gradvist bedre løsninger på et problem med et stort antal variabler, kan den blive overvældet af kompleksitet og gå i stå, før den optimale løsning er fundet. Ved at låne statistiske metoder designet til den grundlæggende undersøgelse af briller, kan sådanne algoritmer imidlertid forbedres og bedre løsninger findes.