Viis klaasjas müsteeriumi, mida me siiani ei suuda seletada: metallklaasidest ootamatute analoogideni

Voolav müüt

Vaadake läbi mis tahes keskaegse kiriku vitraažaknad ja näete peaaegu kindlasti moonutatud vaadet. Mõju on pannud nii teadlasi kui ka mitteteadlasi pikka aega kahtlustama, et piisava aja jooksul voolab klaas nagu erakordselt viskoosne vedelik. Kuid kas sellel väitel on õigust?

Küsimus ei ole nii lihtne, kui esmapilgul võib tunduda. Tegelikult ei saa keegi täpselt öelda, millal vedelik lakkab olemast vedelik ja hakkab olema klaas. Tavapäraselt väidavad füüsikud, et vedelikust on saanud klaas, kui aatomi lõdvestumine – aeg, mille jooksul aatom või molekul liigub olulise osa oma läbimõõdust – on pikem kui 100 sekundit. See lõõgastusmäär on umbes 10¹⁰ korda aeglasem kui vedelas mees ja 10¹⁴ korda aeglasem kui vees. Kuid selle künnise valik on meelevaldne: see ei kajasta olulisi muutusi põhifüüsikas.

Sellegipoolest on 100-sekundiline lõõgastus kõigi inimlike eesmärkide jaoks määrav. Sellise kiirusega kuluks tavalisel lubja-naatriumklaasil eoonid, et aeglaselt voolata ja muutuda energeetiliselt soodsamaks kristalliliseks ränidioksiidiks – muidu tuntud kvartsiks. Kui keskaegsete kirikute vitraaž on väänatud, on see tõenäoliselt algse klaasimeistri (tänapäevaste standardite järgi) kehva tehnika tagajärg. Teisest küljest pole keegi tuhande aasta pikkust katset kontrollimiseks teinud.

“Ideaalse” klaasi otsimisel

Kui vedelik jahtub, võib see tahkestuda klaasiks või kristalliseeruda. Temperatuur, mille juures vedelik klaasiks läheb, pole aga fikseeritud. Kui vedelikku saab jahutada nii aeglaselt, et see ei moodusta kristalle, läheb vedelik lõpuks madalamal temperatuuril üle klaasiks ja moodustab selle tulemusena tihedama klaasi. The USA keemik Walter Kauzmann märkis seda asjaolu 1940. aastate lõpus ja kasutas seda, et ennustada temperatuuri, mille juures klaas moodustub, kui vedelik jahutatakse "tasakaalusse" – see tähendab lõpmatult aeglaselt. Saadud "ideaalsel klaasil" oleks paradoksaalsel kombel sama entroopia kui kristallil, hoolimata sellest, et see on endiselt amorfne või korratu. Põhimõtteliselt on ideaalne klaas see, kus molekulid on kokku pakitud võimalikult tihedalt juhuslikult.

2014. aastal füüsikud, sealhulgas Giorgio Parisi Rooma Sapienza ülikoolist Itaalias (kes jagas 2021. aasta Nobeli füüsikaauhinda töö eest, mis käsitleb "füüsiliste süsteemide häirete ja kõikumiste koosmõju") töötas välja täpse faasidiagrammi ideaalse klaasi moodustamiseks lõpmatute ruumimõõtmete (matemaatiliselt lihtsamas) piiris. Tavaliselt võib tihedus olla järjestusparameeter erinevate olekute eristamiseks, kuid klaasi ja vedeliku puhul on tihedus ligikaudu sama. Selle asemel pidid teadlased kasutama kattumise funktsiooni, mis kirjeldab erinevate võimalike amorfsete konfiguratsioonide molekulide positsioonide sarnasust samal temperatuuril. Nad leidsid, et kui temperatuur on Kauzmanni temperatuurist madalam, on süsteem kalduvus langeda selgelt eristatavasse olekusse, millel on suur kattuvus: klaasfaasi.

Kolmes mõõtmes või isegi väikeses piiratud arvus mõõtmetes on klaasistumisteooria vähem kindel. Mõned teoreetikud on püüdnud seda termodünaamiliselt kirjeldada, kasutades taas ideaalset klaasi kontseptsiooni. Teised usuvad, et see on "dünaamiline" protsess, mille käigus järk-järgult madalamatel temperatuuridel seiskub üha rohkem molekule, kuni kogu osa muutub rohkem klaasiks kui mitte. Kahe leeri pooldajad on pikka aega tülitsenud. Viimasel paaril aastal aga kondenseeritud mateeria teoreetik Paddy Royall Prantsusmaal ESPCI Pariisis ja kolleegid väidavad, et on näidanud, kuidas neid kahte lähenemisviisi saab suures osas ühitada (J. Chem. Phys. 153 090901). "Suur vastupanu [kokkuleppele], mida nägime 20 aastat tagasi, on kadunud," ütleb ta.

Kaks teed parema klaasi juurde

Klaasi omaduste muutmiseks on teil kaks peamist võimalust: muuta selle koostist või muuta selle töötlemisviisi. Näiteks boorsilikaadi kasutamine tavalise sooda ja lubja asemel muudab klaasi kuumutamisel vähem pingeliseks, mistõttu kasutatakse küpsetiste jaoks sageli boorsilikaatklaasi puhta soodalubja asemel. Klaasi veelgi vastupidavamaks muutmiseks saab selle välispinda jahutada kiiremini kui selle põhiosa "karastamise" käigus, nagu Corningi originaalses Pyrexis.

Teisel Corningi uuendusel, nutitelefonidele mõeldud Gorilla Glassil on keerulisem koostise ja töötlemise retsept, et saavutada selle tugevad ja kriimustuskindlad omadused. Südames on leelis-alumosilikaatmaterjal, mida toodetakse õhus õhus spetsiaalses kiiresti kustutatavas "fusioontõmmatud" protsessis, enne kui see sukeldatakse sulasoola lahusesse täiendavaks keemiliseks tugevdamiseks.

Tavaliselt, mida tihedam on klaas, seda tugevam see on. Viimastel aastatel on teadlased avastanud, et väga tihedat klaasi saab luua füüsilise aurustamise-sadestamise teel, mille käigus aurustunud materjal kondenseerub vaakumis pinnale. Protsess võimaldab molekulidel leida oma kõige tõhusama pakkimise ükshaaval, nagu Tetrise mäng.

Metalli valdamine

in 1960 Pol DuwezUSA-s Californias Caltechis töötav Belgia kondenseeritud aine füüsik jahutas kiiresti sulametalli paari jahutatud rulli vahel – seda tehnikat tuntakse splat karastamisena –, kui ta avastas, et tahkunud metallid olid muutunud klaasjaks. Sellest ajast peale on metallklaasid materjaliteadlasi vaimustanud, osalt seetõttu, et neid on nii raske valmistada ja osalt nende ebatavaliste omaduste tõttu.

Kuna ükski tavalistele kristallilistele metallidele omane terapiir ei ole, ei kulu metallklaasid kergesti, mistõttu on NASA katsetanud neid oma kosmoserobotites kasutamiseks määrdeainevabades käigukastides. Need klaasid peavad vastu ka kineetilise energia neelamisele – näiteks materjalist valmistatud pall põrkab imelikult kaua. Metallklaasidel on ka suurepärased pehmed magnetilised omadused, mis muudavad need atraktiivseks ülitõhusate trafode jaoks ja neid saab valmistada keeruka kujuga, näiteks plastikust.

Paljud metallid muutuvad klaasjaks (kui nad seda üldse teevad) ainult hingematvalt kiire jahutuskiirusega – miljardeid kraade sekundis või rohkemgi. Sel põhjusel otsivad teadlased tavaliselt sulameid, mis lähevad hõlpsamini üle, tavaliselt katse-eksituse meetodil. Viimastel aastatel on aga Ken Kelton Washingtoni ülikoolis St Louisis, USA ja tema kolleegid on väitnud, et tõenäolist klaasistumistemperatuuri on võimalik ennustada, mõõtes vedela metalli nihkeviskoossust ja soojuspaisumist (Acta Mater. 172 1). Kelton ja tema meeskond jooksid a Rahvusvahelise kosmosejaama uurimisprojekt, et uurida temperatuuri, mille juures metall tegelikult klaasjaks muutub, ja leidis, et üleminekuprotsess algab siis, kui metall on veel vedel. Vedeliku viskoossust mõõtes saavad teadlased nüüd kindlaks teha, kas klaas moodustub ja millised on selle omadused. Kui ennustamine peaks muutuma tavaliseks, võiksid seda teha ka metallklaasid kaubanduslikes seadmetes. Tegelikult on USA tehnoloogiaettevõttel Apple juba pikka aega olnud patent metallklaasi kasutamiseks nutitelefonide kaantel, kuid pole seda kunagi praktikas rakendanud – võib-olla majanduslikult elujõulise metallklaasi leidmise raskuste tõttu.

Faasimuutusmaterjalide tulevik

Klaaside ja kristallide mehaanilised omadused võivad olla erinevad, kuid tavaliselt on nende optilised ja elektroonilised omadused üsna sarnased. Näiteks harjumatu silma jaoks näeb tavaline ränidioksiidklaas välja peaaegu samasugune kui kvarts, selle kristalne vaste. Kuid mõnel materjalil – eriti kalkogeniididel, mis sisaldavad perioodilisuse tabeli hapnikurühma elemente – on optilised ja elektroonilised omadused, mis on klaasjas ja kristalses olekus märkimisväärselt erinevad. Kui need materjalid juhtuvad olema ka “halvad” klaasimoodustajad (st. tagasihoidlikul kuumutamisel kristalliseeruvad), siis toimivad need nn faasimuutusmaterjalidena.

Enamik meist on ühel või teisel ajal käsitlenud faasimuutusmaterjale: need on korduvkirjutatavate DVD-de ja muude optiliste ketaste andmekandjad. Sisestage üks neist sobivasse draivi ja laser suudab ketta mis tahes bitti klaasja ja kristalse oleku vahel ümber lülitada, mis tähistab binaarset nulli või ühte. Tänapäeval on optilised kettad suures osas asendatud elektroonilise välkmäluga, millel on suurem salvestustihedus ja millel pole liikuvaid osi. Kalkogeniidklaasi kasutatakse mõnikord ka fotoonilistes integraallülitustes, nagu siin pildil. Faasimuutusmaterjalid on jätkuvalt leidnud rakendusi andmete salvestamisel USA tehnoloogiaettevõte Intel ja selle "Optane" kaubamärgiga mälu, millele on kiire juurdepääs, kuid mis püsib (seda ei kustutata toite väljalülitamisel). See rakendus jääb siiski nišiks.

Kasumlikum, ütleb tahke oleku teoreetik Matthias Wuttig RWTH Aacheni ülikoolis Saksamaal, on küsida, kust faasimuutuse omadus pärineb. Neli aastat tagasi pakkusid ta ja teised välja uut tüüpi keemilise sideme, "metavalentse" sideme, et selgitada selle päritolu. Wuttigi sõnul tagab metavalentne side elektronide teatava ümberpaiknemise, nagu metallilise sideme puhul, kuid sellele lisandub elektronide jagamise iseloom, nagu kovalentse sideme puhul. Unikaalsed omadused, sealhulgas faasimuutus, tulemus (Adv. Mater. 30 1803777). Mitte kõik selle valdkonna töötajad ei soovi õpikutesse uut tüüpi sidumist lisada, kuid Wuttig usub, et tõend on pudingis. "Nüüd on küsimus selles, kas [metavalentsel sidumisel] on ennustav jõud, " ütleb ta. "Ja me oleme veendunud, et see on nii."

Klaas seal, kus seda kõige vähem ootad

Muusikafestivalide fännid tunnevad ära nähtuse: proovite aeglaselt koos tuhandete teiste inimestega esinemiselt lahkuda, kui ühtäkki rahvas peatub ja te ei saa enam liikuda. Nagu molekul jahutavas sulas ränidioksiidis, peatub teie liikumine ootamatult – teie ja teie festivalikaaslased olete muutunud klaasiks. Või vähemalt klaasi analoog.

Muud klaasi analoogid hõlmavad sipelgakolooniaid, slaidide vahele jäänud bioloogilisi rakke ja kolloide, nagu habemeajamisvaht (vt ülaltoodud pilti). Eriti kolloidid, mille osakeste suurus ulatub kuni mikronini, on mugavad süsteemid klaasistumisteooriate testimiseks, kuna nende dünaamikat saab tegelikult näha läbi mikroskoobi. Veelgi üllatavam on aga klaasi käitumise tekkimine teatud arvutialgoritmides. Näiteks kui algoritm on loodud suure hulga muutujatega probleemile järk-järgult paremate lahenduste otsimiseks, võib see muutuda keerukuse tõttu hämminguks ja enne optimaalse lahenduse leidmist seiskuda. Laenates prillide fundamentaalseks uurimiseks mõeldud statistilisi meetodeid, saab aga selliseid algoritme täiustada ja leida paremaid lahendusi.