Öt üvegszerű rejtély, amelyet még mindig nem tudunk megmagyarázni: a fémes üvegektől a váratlan analógokig

Az áramló mítosz

Nézzen át bármelyik középkori templom ólomüveg ablakain, és szinte biztosan torz képet fog látni. A hatás régóta arra készteti a tudósokat és a nem tudósokat is, hogy elegendő idővel az üveg kivételesen viszkózus folyadékként folyik. De van-e ennek az állításnak valami létjogosultsága?

A kérdés nem olyan egyszerű, mint amilyennek elsőre tűnik. Valójában senki sem tudja pontosan megmondani, hogy a folyadék mikor szűnik meg folyékony lenni, és mikor kezd pohár lenni. Hagyományosan a fizikusok azt mondják, hogy a folyadék akkor válik üveggé, ha az atom relaxációja – az az idő, amíg egy atom vagy molekula átmérőjének jelentős részét elmozdítja – meghaladja a 100 másodpercet. Ez a relaxációs ráta körülbelül 10¹⁰ szor lassabb, mint a folyós mézben, és 10¹⁴ szor lassabb, mint a vízben. De ennek a küszöbnek a megválasztása önkényes: nem tükrözi az alapvető fizikában bekövetkezett jelentős változást.

Ennek ellenére a 100 másodperces relaxáció minden emberi cél szempontjából meghatározó. Ilyen sebességgel egy darab közönséges nátron-mészüveg eonok alatt lassan lefolyik, és energetikailag kedvezőbb kristályos szilícium-dioxiddá, más néven kvarczá alakul. Ha tehát a középkori templomok ólomüvege elvetemült, az inkább az eredeti üvegkészítő (modern mércével mérve) rossz technikájának az eredménye. Másrészt senki sem végzett ezeréves kísérletet az ellenőrzésre.

Az „ideális” pohár keresésében

A folyadék lehűlésekor vagy üveggé keményedhet, vagy kristályosodhat. Az a hőmérséklet azonban, amelyen a folyadék üvegté alakul, nincs rögzítve. Ha egy folyadékot olyan lassan le lehet hűteni, hogy nem képez kristályt, akkor a folyadék végső soron alacsonyabb hőmérsékleten üvegté válik, és ennek eredményeként egy sűrűbbet képez. A Walter Kauzmann amerikai vegyész ezt a tényt az 1940-es évek végén feljegyezte, és felhasználta annak előrejelzésére, hogy milyen hőmérsékleten képződik egy üveg, ha egy folyadékot „egyensúlyba” – vagyis végtelenül lassan – hűt. Az így létrejövő „ideális üveg” paradox módon ugyanolyan entrópiával rendelkezik, mint a kristályé, annak ellenére, hogy még mindig amorf vagy rendezetlen. Lényegében az ideális üveg az, ahol a molekulák a lehető legsűrűbb véletlenszerű elrendezésben helyezkednek el.

2014-ben fizikusok, köztük Giorgio Parisi, az olaszországi Római Sapienza Egyetem munkatársa (aki a 2021-es fizikai Nobel-díjban részesült a „fizikai rendszerek rendezetlenségének és fluktuációinak kölcsönhatása” című munkájáért)) pontos fázisdiagramot dolgozott ki egy ideális üveg kialakításához, a végtelen térdimenziók (matematikailag könnyebb) határában. Általában a sűrűség egy sorrendi paraméter lehet a különböző állapotok megkülönböztetésére, de üveg és folyadék esetében a sűrűség nagyjából azonos. Ehelyett a kutatóknak egy „átfedési” függvényhez kellett folyamodniuk, amely leírja a különböző lehetséges amorf konfigurációkban, azonos hőmérsékleten lévő molekulák helyzetének hasonlóságát. Azt találták, hogy ha a hőmérséklet alacsonyabb, mint a Kauzmann-hőmérséklet, a rendszer hajlamos egy különálló állapotba, nagy átfedéssel: üvegfázisba esni.

Három dimenzióban, vagy akármilyen kis véges számú dimenzióban az üvegesedés elmélete kevésbé biztos. Egyes teoretikusok megpróbálták termodinamikailag leírni, ismét az ideális üveg fogalmát használva. Mások úgy vélik, hogy ez egy „dinamikus” folyamat, amelyben fokozatosan alacsonyabb hőmérsékleten egyre több molekula zsugorodik le, mígnem a teljes tömeg üvegesebbé válik. A két tábor hívei sokáig vitatkoztak. Az elmúlt pár évben azonban a sűrített anyag elméleti szakembere Paddy Royall a franciaországi ESPCI Paris-on és munkatársai azt állítják, hogy megmutatták, hogyan lehet a két megközelítést nagymértékben összeegyeztetni.J. Chem. Phys. 153 090901). „A 20 évvel ezelőtt tapasztalt ellenállás [a megállapodással szemben] nagy része elveszett” – mondja.

Két út egy jobb üveghez

Az üveg tulajdonságainak megváltoztatásához két alapvető lehetősége van: módosíthatja az összetételét, vagy megváltoztathatja a feldolgozás módját. Például, ha a közönséges szóda és mész helyett boroszilikátot használunk, az üveg kevésbé hajlamos a feszültségre hevítés közben, ezért gyakran bór-szilikátüveget használnak a tiszta nátronmész helyett a sütőedényekben. Annak érdekében, hogy az üveg még robusztusabb legyen, a külső felülete gyorsabban hűthető, mint a tömege egy „edzett” folyamat során, mint a Corning eredeti Pyrexében.

A Corning másik újítása, az okostelefonokhoz készült Gorilla Glass összetétele és feldolgozása bonyolultabb receptúrával rendelkezik, hogy elérje erős, karcálló tulajdonságait. A szívében egy alkáli-alumínium-szilikát anyag, amelyet egy lemezes levegőben állítanak elő egy speciális gyorshűtésű „fúziós húzás” eljárással, majd olvadt sóoldatba merítik a további kémiai megerősítés érdekében.

Általában minél sűrűbb egy pohár, annál erősebb. Az elmúlt években a kutatók felfedezték, hogy nagyon sűrű üveget lehet előállítani fizikai gőzfázisú leválasztással, amelynek során egy elpárolgott anyagot vákuumban egy felületre kondenzálnak. A folyamat lehetővé teszi a molekulák számára, hogy egyesével megtalálják a leghatékonyabb csomagolást, például egy Tetris játékban.

A metál elsajátítása

in 1960 Pol Duwez, egy belga kondenzáltanyag-fizikus, aki a Caltech-nél (Kalifornia, USA) dolgozott, gyorsan hűtött olvadt fémeket egy pár hűtött henger között – ezt a technikát fröccsöntésnek nevezik –, amikor felfedezte, hogy a megszilárdult fémek üvegessé váltak. Azóta a fémüvegek lenyűgözték az anyagtudósokat, részben azért, mert olyan nehéz őket elkészíteni, részben pedig szokatlan tulajdonságaik miatt.

Mivel a közönséges kristályos fémekben rejlő szemcsehatárok egyike sincs, a fémüvegek nem kopnak könnyen, ezért a NASA tesztelte őket kenőanyag-mentes sebességváltókban való használatra, az itt látható űrrobotjaiban. Ezek a szemüvegek a mozgási energia elnyelésének is ellenállnak – például egy anyagból készült labda furcsán sokáig pattog. A fémüvegek kiváló lágymágneses tulajdonságokkal is rendelkeznek, így vonzóvá teszik őket a rendkívül hatékony transzformátorok számára, és bonyolult formákban, például műanyagokban is gyárthatók.

Sok fém csak lélegzetelállítóan gyors lehűlési sebesség mellett válik üvegessé (ha egyáltalán megtörténik) – másodpercenként több milliárd fok vagy még több. Emiatt a kutatók általában olyan ötvözeteket keresnek, amelyek könnyebben átállnak, jellemzően próba és hiba útján. Az elmúlt néhány évben azonban Ken Kelton a St Louis-i Washington Egyetemen, Az USA és munkatársai azt javasolták, hogy egy folyékony fém nyírási viszkozitásának és hőtágulásának mérésével megjósolható a valószínű üvegesedési hőmérséklet.Acta Mater. 172 1). Kelton és csapata a kutatási projekt a Nemzetközi Űrállomáson, hogy tanulmányozzák azt a hőmérsékletet, amelyen a fém ténylegesen üvegessé válik, és megállapította, hogy az átalakulási folyamat akkor kezdődik, amikor a fém még folyadék. A folyadék viszkózusának mérésével a kutatók most meg tudják határozni, hogy képződik-e üveg, és milyen tulajdonságai lesznek. Ha az előrejelzés általánossá válik, akkor a fémüvegek is a kereskedelmi eszközökben. Valójában az amerikai Apple technológiai vállalat már régóta birtokol szabadalmat a fémüveg okostelefonok borításán való használatára, de soha nem ültette át a gyakorlatba – talán azért, mert nehéz megtalálni a gazdaságilag életképes fémüveget.

A fázisváltó anyagok jövője

Az üvegek és kristályok mechanikai tulajdonságai eltérőek lehetnek, de általában optikai és elektronikus tulajdonságaik meglehetősen hasonlóak. A nem gyakorlott szem számára például a normál szilícium-dioxid üveg szinte ugyanúgy néz ki, mint a kvarc, annak kristályos megfelelője. Néhány anyag azonban – különösen a kalkogenidek, amelyek a periódusos rendszer oxigéncsoportjába tartozó elemeket tartalmaznak – olyan optikai és elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek üvegszerű és kristályos állapotukban jelentősen eltérnek egymástól. Ha ezek az anyagok történetesen „rossz” üvegképzők is (vagyis mérsékelten hevítve kikristályosodnak), akkor úgynevezett fázisváltó anyagként szolgálnak.

A legtöbben időnként kezeltek már fázisváltó anyagokat: ezek az újraírható DVD-k és más optikai lemezek adattároló eszközei. Helyezzen be ezek közül egyet egy megfelelő meghajtóba, és egy lézer a lemezen bármilyen bitet átkapcsolhat az üveges és kristályos állapot között, ami egy bináris nullát vagy egyet jelent. Manapság az optikai lemezeket nagyrészt felváltotta az elektronikus „flash” memória, amelynek nagyobb a tárolási sűrűsége és nincs mozgó alkatrésze. A kalkogenid üveget néha fotonikus integrált optikai áramkörökben is használják, amint az itt látható. A fázisváltó anyagok továbbra is alkalmazásra találtak az adattárolásban Az amerikai Intel technológiai vállalat és annak „Optane” márkájú memória, amely gyorsan elérhető, de nem felejtő (nem törlődik a tápellátás kikapcsolásakor). Ez az alkalmazás azonban továbbra is niche marad.

Jövedelmezőbb, mondja a szilárdtest-teoretikus Matthias Wuttig az RWTH Aacheni Egyetemen, Németországban, az a kérdés, hogy honnan származik a fázisváltó tulajdonság. Négy évvel ezelőtt ő és mások egy új típusú kémiai kötést javasoltak, a „metavalens” kötést, hogy megmagyarázzák annak eredetét. Wuttig szerint a metavalens kötés bizonyos elektrondelokalizációt biztosít, mint a fémes kötésnél, de hozzáadott elektronmegosztási karakterrel, mint a kovalens kötésnél. Egyedi tulajdonságok, beleértve a fázisváltást, eredményt (Adv. Mater. 30 1803777). Nem mindenki szeretne új típusú kötést hozzáadni a tankönyvekhez, de Wuttig úgy véli, hogy a bizonyíték a pudingban lesz. „A kérdés most az, hogy a [metavalens kötésnek] van-e előrejelző ereje” – mondja. – És meg vagyunk győződve arról, hogy igen.

Üveg ott, ahol a legkevésbé számítasz rá

A zenei fesztiválok rajongói felismerik a jelenséget: lassan több ezer emberrel együtt próbálsz elhagyni egy előadást, amikor egyszer csak megáll a tömeg, és már nem tudsz mozdulni. Mint egy molekula a hűtött olvadt szilícium-dioxidban, a mozgásod hirtelen leáll – te és fesztiválozótársaid pohárrá változtál. Vagy legalább egy üveg analóg.

Egyéb üveganalógok közé tartoznak a hangyatelepek, a tárgylemezek közé szorult biológiai sejtek és a kolloidok, például a borotvahab (lásd a fenti képet). Különösen a kolloidok, amelyekben a részecskék mérete akár mikron is lehet, kényelmes rendszerek az üvegesedési elméletek tesztelésére, mivel ezek dinamikája mikroszkópon keresztül is látható. Még meglepőbb azonban az üveg viselkedésének kezdete bizonyos számítógépes algoritmusokban. Például, ha egy algoritmust úgy terveztek, hogy fokozatosan jobb megoldásokat keressen egy nagyszámú változóból álló problémára, akkor túlterhelheti a bonyolultság, és leállhat az optimális megoldás megtalálása előtt. A szemüveg alapkutatására kidolgozott statisztikai módszerek kölcsönzésével azonban ezek az algoritmusok továbbfejleszthetők, jobb megoldásokat találhatunk.