Πέντε γυάλινα μυστήρια που ακόμα δεν μπορούμε να εξηγήσουμε: από μεταλλικά γυαλιά μέχρι απροσδόκητα ανάλογα

Ο μύθος που ρέει

Κοιτάξτε μέσα από τα βιτρό οποιασδήποτε μεσαιωνικής εκκλησίας και σχεδόν σίγουρα θα δείτε μια παραμορφωμένη θέα. Το φαινόμενο έχει οδηγήσει τόσο επιστήμονες όσο και μη επιστήμονες να υποψιάζονται ότι, λαμβάνοντας αρκετό χρόνο, το γυαλί ρέει σαν ένα εξαιρετικά παχύρρευστο υγρό. Υπάρχει όμως κάποια εγκυρότητα σε αυτόν τον ισχυρισμό;

Η ερώτηση δεν είναι τόσο απλή όσο φαίνεται στην αρχή. Στην πραγματικότητα, κανείς δεν μπορεί να πει με ακρίβεια πότε ένα υγρό σταματά να είναι υγρό και αρχίζει να είναι ένα ποτήρι. Συμβατικά, οι φυσικοί λένε ότι ένα υγρό έχει γίνει ποτήρι όταν η ατομική χαλάρωση - ο χρόνος για ένα άτομο ή ένα μόριο να μετακινήσει ένα σημαντικό μέρος της διαμέτρου του - είναι μεγαλύτερη από 100 δευτερόλεπτα. Αυτός ο ρυθμός χαλάρωσης είναι περίπου 10¹⁰ φορές πιο αργά από ό,τι στο καταρροϊκό μέλι και 10¹⁴ φορές πιο αργά από ότι στο νερό. Αλλά η επιλογή αυτού του ορίου είναι αυθαίρετη: δεν αντικατοπτρίζει καμία ξεχωριστή αλλαγή στη θεμελιώδη φυσική.

Ακόμα κι έτσι, μια χαλάρωση 100 δευτερολέπτων είναι οριστική για όλους τους ανθρώπινους σκοπούς. Με αυτόν τον ρυθμό, ένα κομμάτι κοινού γυαλιού με ανθρακικό ασβέστη θα χρειαζόταν αιώνες για να ρέει αργά και να μετατραπεί στο πιο ενεργειακά ευνοϊκό κρυσταλλικό διοξείδιο του πυριτίου - αλλιώς γνωστό ως χαλαζίας. Επομένως, εάν το βιτρό στις μεσαιωνικές εκκλησίες είναι στρεβλό, είναι πιθανότερο αποτέλεσμα της κακής τεχνικής του αρχικού υαλουργού (σύμφωνα με τα σύγχρονα πρότυπα). Από την άλλη πλευρά, κανείς δεν έχει πραγματοποιήσει ένα πείραμα χιλιάδων ετών για έλεγχο.

Σε αναζήτηση του «ιδανικού» ποτηριού

Καθώς ένα υγρό κρυώνει, μπορεί είτε να σκληρύνει σε ποτήρι είτε να κρυσταλλώσει. Ωστόσο, η θερμοκρασία στην οποία ένα υγρό μεταβαίνει σε ένα ποτήρι δεν είναι σταθερή. Εάν ένα υγρό μπορεί να ψυχθεί τόσο αργά ώστε να μην σχηματίσει κρύσταλλο, τότε το υγρό θα μεταβεί τελικά σε ένα ποτήρι σε χαμηλότερη θερμοκρασία και θα σχηματίσει ένα πιο πυκνό ως αποτέλεσμα. ο Ο Αμερικανός χημικός Walter Kauzmann παρατήρησε αυτό το γεγονός στα τέλη της δεκαετίας του 1940 και το χρησιμοποίησε για να προβλέψει τη θερμοκρασία στην οποία θα σχηματιζόταν ένα γυαλί εάν ένα υγρό ψύχθηκε «σε ισορροπία» – δηλαδή απείρως αργά. Το προκύπτον «ιδανικό γυαλί» θα είχε, παραδόξως, την ίδια εντροπία με έναν κρύσταλλο, παρόλο που εξακολουθεί να είναι άμορφο ή άτακτο. Ουσιαστικά, ένα ιδανικό γυαλί είναι όπου τα μόρια συσκευάζονται μαζί με την πιο πυκνή δυνατή τυχαία διάταξη.

Το 2014 φυσικοί συμπεριλαμβανομένων Giorgio Parisi του Πανεπιστημίου Sapienza της Ρώμης στην Ιταλία (ο οποίος μοιράστηκε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2021, για την εργασία του σχετικά με «την αλληλεπίδραση της διαταραχής και των διακυμάνσεων στα φυσικά συστήματα») επεξεργάστηκε ένα ακριβές διάγραμμα φάσης για το σχηματισμό ενός ιδανικού γυαλιού, στο (μαθηματικά ευκολότερο) όριο των άπειρων χωρικών διαστάσεων. Συνήθως, η πυκνότητα μπορεί να είναι μια παράμετρος τάξης για τη διάκριση διαφορετικών καταστάσεων, αλλά στην περίπτωση του γυαλιού και ενός υγρού, η πυκνότητα είναι περίπου η ίδια. Αντίθετα, οι ερευνητές έπρεπε να καταφύγουν σε μια λειτουργία «επικάλυψης», η οποία περιγράφει την ομοιότητα στις θέσεις των μορίων σε διαφορετικές πιθανές άμορφες διαμορφώσεις, στην ίδια θερμοκρασία. Βρήκαν ότι όταν η θερμοκρασία είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία Kauzmann, το σύστημα είναι επιρρεπές να πέσει σε μια ευδιάκριτη κατάσταση με υψηλή επικάλυψη: μια γυάλινη φάση.

Στις τρεις διαστάσεις, ή μάλιστα σε οποιονδήποτε μικρό πεπερασμένο αριθμό διαστάσεων, η θεωρία της υαλώδους μετάβασης είναι λιγότερο βέβαιη. Μερικοί θεωρητικοί προσπάθησαν να το περιγράψουν θερμοδυναμικά, χρησιμοποιώντας και πάλι την ιδέα του ιδανικού γυαλιού. Άλλοι πιστεύουν ότι είναι μια «δυναμική» διαδικασία κατά την οποία, σε προοδευτικά χαμηλότερες θερμοκρασίες, όλο και περισσότεροι θύλακες μορίων δεσμεύονται, έως ότου ολόκληρος ο όγκος γίνει περισσότερο γυαλί από ό,τι όχι. Εδώ και πολύ καιρό, οι υποστηρικτές των δύο στρατοπέδων ήταν σε διαμάχη. Τα τελευταία δύο χρόνια, ωστόσο, θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης Πάντι Ρόγιαλ στο ESPCI Paris στη Γαλλία και οι συνάδελφοί του ισχυρίζονται ότι έχουν δείξει πώς μπορούν να συμβιβαστούν σε μεγάλο βαθμό οι δύο προσεγγίσεις (J. Chem. Φυσ. 153 090901). «Πολλή από την αντίσταση [στη συμφωνία] που είδαμε πριν από 20 χρόνια έχει χαθεί», λέει.

Δύο διαδρομές για ένα καλύτερο ποτήρι

Για να αλλάξετε τις ιδιότητες του γυαλιού, έχετε δύο βασικές επιλογές: να αλλάξετε τη σύνθεσή του ή να αλλάξετε τον τρόπο επεξεργασίας του. Για παράδειγμα, η χρήση βοριοπυριτικού αντί της κοινής σόδας και ασβέστη καθιστά το γυαλί λιγότερο επιρρεπές σε καταπόνηση όταν θερμαίνεται, γι' αυτό και το βοριοπυριτικό γυαλί χρησιμοποιείται συχνά στη θέση του καθαρού ανθρακικού νατρίου για τα σκεύη ψησίματος. Για να γίνει το γυαλί ακόμα πιο στιβαρό, η εξωτερική του επιφάνεια μπορεί να ψύχεται πιο γρήγορα από τον όγκο του σε μια διαδικασία «σκλήρυνσης», όπως στο αυθεντικό Pyrex της Corning.

Μια άλλη από τις καινοτομίες της Corning, το Gorilla Glass για smartphone, έχει μια πιο περίπλοκη συνταγή σύνθεσης και επεξεργασίας για την επίτευξη των ισχυρών, ανθεκτικών στις γρατσουνιές ιδιότητές του. Ένα αλκάλιο-αλουμινοπυριτικό υλικό στην καρδιά, παράγεται σε φύλλο στον αέρα με μια ειδική διαδικασία γρήγορης απόσβεσης "fusion drawn", πριν βυθιστεί σε διάλυμα τετηγμένου αλατιού για πρόσθετη χημική ενίσχυση.

Συνήθως, όσο πιο πυκνό είναι ένα ποτήρι, τόσο πιο δυνατό είναι. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι πολύ πυκνό γυαλί μπορεί να δημιουργηθεί με φυσική εναπόθεση ατμών, στην οποία ένα εξατμισμένο υλικό συμπυκνώνεται σε μια επιφάνεια σε κενό. Η διαδικασία επιτρέπει στα μόρια να βρίσκουν την πιο αποτελεσματική συσκευασία τους ένα κάθε φορά, όπως ένα παιχνίδι Tetris.

Κατακτώντας το μεταλλικό

σε 1960 Πολ Ντουβέζ, ένας Βέλγος φυσικός συμπυκνωμένης ύλης που εργαζόταν στο Caltech στην Καλιφόρνια των Η.Π.Α., ψύγε γρήγορα λιωμένα μέταλλα μεταξύ ενός ζεύγους ψυχόμενων κυλίνδρων - μια τεχνική γνωστή ως σβήσιμο με πιτσιλίσματα - όταν ανακάλυψε ότι τα στερεοποιημένα μέταλλα είχαν γίνει υαλώδη. Από τότε, τα μεταλλικά γυαλιά έχουν συναρπάσει τους επιστήμονες των υλικών, εν μέρει επειδή είναι τόσο δύσκολο να κατασκευαστούν και εν μέρει λόγω των ασυνήθιστων ιδιοτήτων τους.

Χωρίς κανένα από τα όρια κόκκων που είναι εγγενή στα συνηθισμένα κρυσταλλικά μέταλλα, τα μεταλλικά γυαλιά δεν φθείρονται εύκολα, γι' αυτό η NASA τα έχει δοκιμάσει για χρήση σε κιβώτια ταχυτήτων χωρίς λιπαντικά, όπως φαίνεται εδώ, στα διαστημικά ρομπότ της. Αυτά τα γυαλιά αντιστέκονται επίσης στην απορρόφηση της κινητικής ενέργειας - για παράδειγμα, μια μπάλα από το υλικό θα αναπηδά για παράξενα μεγάλο χρονικό διάστημα. Τα μεταλλικά γυαλιά έχουν επίσης εξαιρετικές μαλακές μαγνητικές ιδιότητες, καθιστώντας τα ελκυστικά για μετασχηματιστές υψηλής απόδοσης και μπορούν να κατασκευαστούν σε περίπλοκα σχήματα, όπως τα πλαστικά.

Πολλά μέταλλα θα γίνουν υαλώδη (αν το κάνουν καθόλου) με εκπληκτικά γρήγορους ρυθμούς ψύξης – δισεκατομμύρια βαθμούς ανά δευτερόλεπτο ή περισσότερο. Για το λόγο αυτό, οι ερευνητές συνήθως αναζητούν κράματα που μεταβάλλονται πιο εύκολα, συνήθως με δοκιμή και σφάλμα. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, Ken Kelton στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις, Οι ΗΠΑ και οι συνεργάτες του έχουν προτείνει ότι είναι δυνατό να προβλεφθεί η πιθανή θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου μετρώντας το ιξώδες διάτμησης και τη θερμική διαστολή ενός υγρού μετάλλου (Acta Mater. 172 1). Ο Kelton και η ομάδα του έτρεξαν ένα ερευνητικό έργο στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, για να μελετήσει τη θερμοκρασία στην οποία ένα μέταλλο γίνεται πραγματικά υαλώδες και διαπίστωσε ότι η διαδικασία μετάβασης ξεκινά ενώ το μέταλλο είναι ακόμα υγρό. Μετρώντας πόσο παχύρρευστο είναι το υγρό, οι ερευνητές μπορούν τώρα να προσδιορίσουν αν θα σχηματιστεί ένα γυαλί και ποιες θα είναι μερικές από τις ιδιότητές του. Εάν η πρόβλεψη γίνει συνηθισμένη, το ίδιο θα μπορούσαν να γίνουν και τα μεταλλικά γυαλιά σε εμπορικές συσκευές. Στην πραγματικότητα, η αμερικανική εταιρεία τεχνολογίας Apple έχει εδώ και καιρό κατοχυρώσει ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη χρήση μεταλλικού γυαλιού σε καλύμματα smartphone, αλλά δεν το έχει εφαρμόσει ποτέ - ίσως λόγω της δυσκολίας να βρει ένα μεταλλικό γυαλί που να είναι οικονομικά βιώσιμο.

Το μέλλον των υλικών αλλαγής φάσης

Οι μηχανικές ιδιότητες των γυαλιών και των κρυστάλλων μπορεί να είναι διαφορετικές, αλλά συνήθως οι οπτικές και ηλεκτρονικές τους ιδιότητες είναι αρκετά παρόμοιες. Για ένα μη εκπαιδευμένο μάτι, για παράδειγμα, το κανονικό γυαλί διοξειδίου του πυριτίου μοιάζει σχεδόν με τον χαλαζία, το κρυσταλλικό του αντίστοιχο. Αλλά ορισμένα υλικά - ιδίως τα χαλκογονίδια, τα οποία περιλαμβάνουν στοιχεία από την ομάδα οξυγόνου του περιοδικού πίνακα - έχουν οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες που διαφέρουν σημαντικά στην υαλώδη και κρυσταλλική τους κατάσταση. Εάν αυτά τα υλικά τυχαίνει να είναι επίσης «κακοί» σχηματιστές γυαλιού (δηλαδή, κρυσταλλώνονται όταν θερμαίνονται μέτρια), τότε χρησιμεύουν ως τα λεγόμενα υλικά αλλαγής φάσης.

Οι περισσότεροι από εμάς θα έχουμε χειριστεί υλικά αλλαγής φάσης κάποια στιγμή: είναι το μέσο αποθήκευσης δεδομένων για επανεγγράψιμα DVD και άλλους οπτικούς δίσκους. Τοποθετήστε ένα από αυτά σε μια κατάλληλη μονάδα δίσκου και ένα λέιζερ μπορεί να αλλάξει οποιοδήποτε bit στο δίσκο μεταξύ της υαλώδους και της κρυσταλλικής κατάστασης, αντιπροσωπεύοντας ένα δυαδικό μηδέν ή ένα. Σήμερα, οι οπτικοί δίσκοι έχουν αντικατασταθεί σε μεγάλο βαθμό από την ηλεκτρονική μνήμη «φλας», η οποία έχει μεγαλύτερη πυκνότητα αποθήκευσης και δεν έχει κινούμενα μέρη. Το γυαλί χαλκογονιδίου χρησιμοποιείται επίσης μερικές φορές σε φωτονικά ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα, όπως απεικονίζεται εδώ. Τα υλικά αλλαγής φάσης συνέχισαν να βρίσκουν εφαρμογές στην αποθήκευση δεδομένων από την Η αμερικανική εταιρεία τεχνολογίας Intel και το "Optane" της μάρκα μνήμης, η οποία είναι γρήγορη πρόσβαση αλλά δεν είναι πτητική (δεν διαγράφεται όταν είναι απενεργοποιημένη). Ωστόσο, αυτή η εφαρμογή παραμένει εξειδικευμένη.

Πιο κερδοφόρο, λέει ο θεωρητικός της στερεάς κατάστασης Matthias Wuttig στο Πανεπιστήμιο RWTH Aachen, Γερμανία, είναι να ρωτήσετε από πού προέρχεται η ιδιότητα αλλαγής φάσης. Πριν από τέσσερα χρόνια, αυτός και άλλοι πρότειναν έναν νέο τύπο χημικού δεσμού, τον «μετασθενή» δεσμό, για να εξηγήσουν την προέλευσή του. Σύμφωνα με τον Wuttig, ο μετασθενής δεσμός παρέχει κάποια μετεγκατάσταση ηλεκτρονίων, όπως στον μεταλλικό δεσμό, αλλά με έναν πρόσθετο χαρακτήρα κοινής χρήσης ηλεκτρονίων, όπως στον ομοιοπολικό δεσμό. Μοναδικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της αλλαγής φάσης, έχουν ως αποτέλεσμα (Adv Μητήρ. 30 1803777). Δεν θέλουν όλοι στο πεδίο να προσθέσουν έναν νέο τύπο δεσμού στα σχολικά βιβλία, αλλά ο Wuttig πιστεύει ότι η απόδειξη θα είναι στην πουτίγκα. «Το ερώτημα τώρα είναι αν ο [μετασθενής δεσμός] έχει προγνωστική δύναμη», λέει. «Και είμαστε πεπεισμένοι ότι έχει».

Γυαλί εκεί που δεν το περιμένεις

Οι θαυμαστές των μουσικών φεστιβάλ θα αναγνωρίσουν το φαινόμενο: προσπαθείτε σιγά σιγά να αφήσετε μια παράσταση μαζί με χιλιάδες άλλους ανθρώπους, όταν ξαφνικά το πλήθος σταματάει και δεν μπορείτε να κινηθείτε άλλο. Όπως ένα μόριο στην ψύξη του λιωμένου πυριτίου, η κίνησή σας σταματά ξαφνικά – εσείς και οι φίλοι σας στο φεστιβάλ έχετε μετατραπεί σε ποτήρι. Ή ένα ανάλογο γυαλιού, τουλάχιστον.

Άλλα ανάλογα γυαλιού περιλαμβάνουν αποικίες μυρμηγκιών, βιολογικά κύτταρα παγιδευμένα ανάμεσα σε διαφάνειες και κολλοειδή, όπως αφρός ξυρίσματος (βλ. εικόνα παραπάνω). Τα κολλοειδή ειδικότερα, με σωματίδια που κυμαίνονται έως και μικρά σε μέγεθος, είναι βολικά συστήματα για τη δοκιμή των θεωριών της υάλινης μετάβασης, καθώς η δυναμική τους μπορεί πραγματικά να φανεί μέσω μικροσκοπίου. Ακόμη πιο εκπληκτικό, όμως, είναι η εμφάνιση της συμπεριφοράς του γυαλιού σε ορισμένους αλγόριθμους υπολογιστών. Για παράδειγμα, εάν ένας αλγόριθμος έχει σχεδιαστεί για να αναζητά σταδιακά καλύτερες λύσεις σε ένα πρόβλημα με μεγάλο αριθμό μεταβλητών, μπορεί να κατακλυστεί από την πολυπλοκότητα και να σταματήσει πριν βρεθεί η βέλτιστη λύση. Ωστόσο, με δανεισμό στατιστικών μεθόδων σχεδιασμένων για τη θεμελιώδη μελέτη των γυαλιών, τέτοιοι αλγόριθμοι μπορούν να βελτιωθούν και να βρεθούν καλύτερες λύσεις.