پنج معمای شیشه ای که هنوز نمی توانیم توضیح دهیم: از شیشه های فلزی تا آنالوگ های غیرمنتظره

اسطوره جاری

از پنجره های شیشه ای رنگی هر کلیسای قرون وسطایی نگاه کنید، مطمئناً منظره ای مخدوش خواهید دید. این اثر مدت‌هاست که دانشمندان و غیردانشمندان را مشکوک کرده است که با توجه به زمان کافی، شیشه مانند مایعی فوق‌العاده چسبناک در جریان است. اما آیا این ادعا اعتباری دارد؟

سوال آنقدرها هم که در ابتدا به نظر می رسد ساده نیست. در حقیقت، هیچ کس نمی تواند دقیقاً بگوید چه زمانی یک مایع دیگر مایع نیست و شروع به لیوان شدن می کند. به طور معمول، فیزیکدانان می گویند زمانی که آرامش اتمی - زمان حرکت یک اتم یا مولکول بخش قابل توجهی از قطر خود - بیش از 100 ثانیه باشد، مایع به یک لیوان تبدیل می شود. این میزان آرامش حدود 10 است¹⁰ بارها کندتر از عسل آبریزش و 10¹⁴ بارها کندتر از آب اما انتخاب این آستانه دلخواه است: هیچ تغییر مشخصی را در فیزیک بنیادی منعکس نمی کند.

با این حال، آرامش 100 ثانیه ای برای تمام اهداف انسان قطعی است. با این سرعت، یک تکه شیشه سودا-آهک معمولی طول می کشد تا به آرامی جریان یابد و به دی اکسید سیلیکون کریستالی که از نظر انرژی مطلوب تر است - که کوارتز نامیده می شود - تبدیل می شود. بنابراین، اگر شیشه های رنگی در کلیساهای قرون وسطایی تاب خورده باشد، به احتمال زیاد نتیجه تکنیک ضعیف شیشه ساز اصلی (با استانداردهای مدرن) است. از سوی دیگر، هیچ کس آزمایشی هزار ساله برای بررسی انجام نداده است.

در جستجوی لیوان "ایده آل".

همانطور که یک مایع سرد می شود، می تواند به صورت یک لیوان سفت شود یا کریستال شود. با این حال، دمایی که در آن مایع به شیشه تبدیل می‌شود، ثابت نیست. اگر مایعی را بتوان آنقدر آرام سرد کرد که کریستال تشکیل ندهد، در نهایت مایع در دمای پایین‌تری به شیشه تبدیل می‌شود و در نتیجه شیشه متراکم‌تری را تشکیل می‌دهد. را والتر کاوزمن شیمیدان آمریکایی در اواخر دهه 1940 به این واقعیت اشاره کرد و از آن برای پیش‌بینی دمایی که در آن یک لیوان تشکیل می‌شود در صورتی که مایعی «در حالت تعادل» سرد شود - یعنی بی‌نهایت آهسته - استفاده کرد. "شیشه ایده آل" حاصل، به طور متناقض، همان آنتروپی یک کریستال را دارد، علیرغم اینکه هنوز بی شکل یا بی نظم است. اساسا، یک شیشه ایده آل جایی است که مولکول ها در متراکم ترین آرایش تصادفی ممکن در کنار هم قرار می گیرند.

در سال 2014 فیزیکدانان از جمله جورجیو پاریسی از دانشگاه ساپینزا رم در ایتالیا (که جایزه نوبل فیزیک 2021 را برای کارش در مورد "تداخل بی نظمی و نوسانات در سیستم های فیزیکی" به اشتراک گذاشت.) یک نمودار فاز دقیق برای تشکیل یک شیشه ایده آل، در حد (از نظر ریاضی ساده تر) از ابعاد فضایی نامتناهی کار کرد. معمولاً چگالی می تواند یک پارامتر سفارشی برای تشخیص حالت های مختلف باشد، اما در مورد شیشه و مایع، چگالی تقریباً یکسان است. در عوض، محققان مجبور شدند به یک تابع "همپوشانی" متوسل شوند، که تشابه موقعیت مولکول ها را در پیکربندی های مختلف آمورف ممکن، در یک دما توصیف می کند. آنها دریافتند که وقتی دما کمتر از دمای کاوزمن باشد، سیستم مستعد قرار گرفتن در حالت متمایز با همپوشانی زیاد است: فاز شیشه ای.

در سه بعد، یا در واقع هر تعداد محدود محدودی از ابعاد، نظریه انتقال شیشه ای کمتر قطعی است. برخی از نظریه پردازان سعی کرده اند آن را به صورت ترمودینامیکی توصیف کنند و دوباره از مفهوم شیشه ایده آل استفاده کنند. برخی دیگر بر این باورند که این یک فرآیند "دینامیک" است که در آن، در دماهای به تدریج پایین تر، تعداد بیشتری از مولکول ها متوقف می شوند، تا زمانی که کل حجم به شیشه تبدیل شود. مدت هاست که طرفداران این دو اردوگاه با هم اختلاف دارند. با این حال، در چند سال گذشته، نظریه پرداز ماده متراکم پدی رویال در ESPCI پاریس در فرانسه و همکارانش ادعا می‌کنند که نشان داده‌اند چگونه می‌توان این دو رویکرد را تا حد زیادی با هم تطبیق داد.جی. شیمی. فیزیک 153 090901). او می گوید: «بسیاری از مقاومت [در برابر توافق] که 20 سال پیش دیدیم، از بین رفته است.

دو مسیر به یک لیوان بهتر

برای تغییر خواص شیشه، دو گزینه اساسی دارید: ترکیب آن را تغییر دهید، یا روش پردازش آن را تغییر دهید. به عنوان مثال، استفاده از بوروسیلیکات به جای نوشابه و آهک معمولی باعث می شود شیشه در هنگام گرم شدن کمتر مستعد استرس باشد، به همین دلیل است که شیشه بوروسیلیکات اغلب به جای جوش شیرین خالص برای ظروف شیرینی پزی استفاده می شود. برای استحکام بیشتر شیشه، سطح بیرونی آن می‌تواند با سرعت بیشتری نسبت به بخش عمده آن در فرآیند «تمرینگ» خنک شود، مانند پیرکس اصلی Corning.

یکی دیگر از ابداعات Corning، گوریلا گلس برای گوشی‌های هوشمند، دستور ترکیب و پردازش پیچیده‌تری برای دستیابی به خواص قوی و مقاوم در برابر خش دارد. یک ماده قلیایی-آلومینوسیلیکات در قلب، در یک ورقه در هوا در یک فرآیند خاص "فیوژن کشیده شده" با سرعت خاموش شدن، قبل از غوطه ور شدن در محلول نمک مذاب برای تقویت شیمیایی بیشتر، تولید می شود.

به طور معمول، هر چه یک لیوان متراکم تر باشد، قوی تر است. در سال‌های اخیر، محققان کشف کرده‌اند که شیشه‌های بسیار متراکم را می‌توان با رسوب فیزیکی بخار ایجاد کرد، که در آن یک ماده تبخیر شده بر روی سطحی در خلاء متراکم می‌شود. این فرآیند به مولکول ها اجازه می دهد تا کارآمدترین بسته بندی خود را در یک زمان پیدا کنند، مانند بازی تتریس.

تسلط بر متالیک

در 1960 پل دووزیک فیزیکدان بلژیکی با ماده متراکم که در Caltech در کالیفرنیا، ایالات متحده کار می کرد، به سرعت در حال خنک کردن فلزات مذاب بین یک جفت غلتک سرد شده بود - تکنیکی که به عنوان خاموش کردن اسپلات شناخته می شود - وقتی متوجه شد که فلزات جامد شده تبدیل به شیشه شده اند. از آن زمان، شیشه های فلزی دانشمندان مواد را مجذوب خود کرده است، تا حدی به دلیل سختی ساختن آنها و تا حدودی به دلیل خواص غیرعادی آنها.

با توجه به اینکه هیچ یک از مرزهای دانه ذاتی در فلزات کریستالی معمولی وجود ندارد، شیشه های فلزی به راحتی پوشیده نمی شوند، به همین دلیل ناسا آنها را برای استفاده در گیربکس های بدون روان کننده، که در اینجا مشاهده می کنید، در روبات های فضایی خود آزمایش کرده است. این شیشه‌ها همچنین در برابر جذب انرژی جنبشی مقاومت می‌کنند - برای مثال، یک توپ ساخته شده از این ماده برای مدت طولانی به طور عجیبی جهش می‌کند. شیشه‌های فلزی همچنین دارای خواص مغناطیسی نرم بسیار خوبی هستند که آنها را برای ترانسفورماتورهای بسیار کارآمد جذاب می‌کند و می‌توانند در اشکال پیچیده مانند پلاستیک تولید شوند.

بسیاری از فلزات فقط با سرعت خنک کنندگی سریع - میلیاردها درجه در ثانیه یا بیشتر - (اگر اصلاً این کار را انجام دهند) شیشه ای می شوند. به همین دلیل، محققان معمولاً آلیاژهایی را جستجو می‌کنند که راحت‌تر تغییر کنند، معمولاً با آزمون و خطا. با این حال، در چند سال گذشته، کن کلتون در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، ایالات متحده و همکارانش پیشنهاد کرده اند که می توان دمای انتقال شیشه ای احتمالی را با اندازه گیری ویسکوزیته برشی و انبساط حرارتی یک فلز مایع پیش بینی کرد.Acta Mater. 172 1). کلتون و تیمش یک پروژه تحقیقاتی در ایستگاه فضایی بین المللیبرای مطالعه دمایی که در آن یک فلز واقعاً شیشه‌ای می‌شود، و دریافتند که فرآیند انتقال در حالی که فلز هنوز مایع است آغاز می‌شود. با اندازه‌گیری میزان چسبناک بودن مایع، محققان اکنون می‌توانند تعیین کنند که آیا یک لیوان تشکیل می‌شود و برخی از خواص آن چیست. اگر پیش‌بینی امری عادی شود، عینک‌های فلزی در دستگاه‌های تجاری نیز ممکن است. در واقع، شرکت فناوری آمریکایی اپل مدت‌هاست که حق ثبت اختراع استفاده از شیشه‌های فلزی روی قاب گوشی‌های هوشمند را دارد، اما هرگز آن را عملی نکرده است - شاید به دلیل مشکل در یافتن شیشه‌ای فلزی که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد.

آینده مواد تغییر فاز دهنده

خواص مکانیکی شیشه ها و کریستال ها ممکن است متفاوت باشد، اما معمولاً خواص نوری و الکترونیکی آنها تقریباً مشابه است. به عنوان مثال، برای چشمی که آموزش ندیده است، شیشه معمولی دی اکسید سیلیکون تقریباً شبیه کوارتز، همتای کریستالی آن است. اما برخی از مواد - به ویژه کالکوژنیدها، که شامل عناصر گروه اکسیژن جدول تناوبی هستند - دارای خواص نوری و الکترونیکی هستند که در حالت های شیشه ای و کریستالی آنها به طور قابل توجهی متفاوت است. اگر این مواد همچنین شکل‌دهنده‌های شیشه‌ای «بد» باشند (یعنی زمانی که به طور متوسط ​​گرم شوند متبلور می‌شوند)، به اصطلاح به عنوان مواد تغییر فاز عمل می‌کنند.

بسیاری از ما در یک زمان، مواد تغییر فاز را مدیریت می‌کنیم: آنها رسانه ذخیره‌سازی دی‌وی‌دی‌های قابل بازنویسی و سایر دیسک‌های نوری هستند. یکی از اینها را در یک درایو مناسب قرار دهید، و یک لیزر می‌تواند هر بیت دیسک را بین حالت شیشه‌ای و کریستالی تغییر دهد، که نشان‌دهنده صفر یا یک باینری است. امروزه، دیسک‌های نوری تا حد زیادی جای خود را به حافظه فلش الکترونیکی داده‌اند که دارای تراکم ذخیره‌سازی بیشتر و بدون قطعات متحرک است. شیشه کالکوژنید نیز گاهی در مدارهای نوری مجتمع فوتونیک استفاده می شود، همانطور که در اینجا نشان داده شده است. مواد تغییر فاز به یافتن کاربردهایی در ذخیره‌سازی داده‌ها ادامه داده‌اند شرکت فناوری ایالات متحده اینتل و "Optane" آن نام تجاری حافظه که دسترسی سریع و در عین حال غیرفرار دارد (در صورت قطع برق پاک نمی شود). با این حال، این نرم افزار همچنان جا افتاده است.

نظریه‌پرداز حالت جامد می‌گوید سودآورتر است ماتیاس ووتیگ در دانشگاه RWTH آخن، آلمان، این است که بپرسیم خاصیت تغییر فاز از کجا آمده است. چهار سال پیش، او و دیگران نوع جدیدی از پیوند شیمیایی، پیوند "متا ظرفیتی" را برای توضیح منشأ آن پیشنهاد کردند. به گفته ووتیگ، پیوند متاظرفیتی، مانند پیوند فلزی، مقداری جابجایی الکترون را فراهم می کند، اما مانند پیوند کووالانسی، ویژگی اشتراک الکترونی اضافه ای دارد. خواص منحصر به فرد، از جمله تغییر فاز، نتیجه (Adv. ماتر 30 1803777). همه در این زمینه نمی خواهند نوع جدیدی از پیوند را به کتاب های درسی اضافه کنند، اما ووتیگ معتقد است که اثبات در پودینگ خواهد بود. او می‌گوید: «اکنون سؤال این است که آیا [پیوند متاظرفیتی] قدرت پیش‌بینی دارد یا خیر. و ما متقاعد شده‌ایم که چنین شده است.»

شیشه ای که انتظارش را ندارید

طرفداران جشنواره های موسیقی این پدیده را می شناسند: شما به آرامی سعی می کنید یک اجرا را همراه با هزاران نفر دیگر ترک کنید، که ناگهان جمعیت متوقف می شود و دیگر نمی توانید حرکت کنید. مانند یک مولکول در خنک کردن سیلیس مذاب، حرکت شما به طور ناگهانی متوقف می شود - شما و شرکت کنندگان جشنواره شما به یک لیوان تبدیل شده اید. یا حداقل یک آنالوگ شیشه ای.

سایر آنالوگ های شیشه ای شامل کلنی مورچه ها، سلول های بیولوژیکی محبوس شده بین اسلایدها و کلوئیدها مانند فوم اصلاح هستند (تصویر بالا را ببینید). به ویژه کلوئیدها، با ذرات تا میکرون اندازه، سیستم های مناسبی برای آزمایش تئوری های انتقال شیشه ای هستند، زیرا دینامیک آنها در واقع از طریق میکروسکوپ قابل مشاهده است. با این حال، حتی شگفت‌انگیزتر از آن، شروع رفتار شیشه در الگوریتم‌های کامپیوتری خاص است. به عنوان مثال، اگر یک الگوریتم برای جستجوی راه‌حل‌های بهتر به تدریج برای یک مسئله با تعداد زیادی متغیر طراحی شده باشد، می‌تواند توسط پیچیدگی غرق شود و قبل از یافتن راه‌حل بهینه متوقف شود. با این حال، با قرض گرفتن روش های آماری طراحی شده برای مطالعه بنیادی عینک، چنین الگوریتم هایی را می توان بهبود بخشید و راه حل های بهتری پیدا کرد.