Lima misteri kaca yang masih belum bisa kami jelaskan: dari kacamata metalik hingga analog yang tak terduga

Mitos yang mengalir

Lihatlah melalui jendela kaca patri dari gereja abad pertengahan mana pun, dan Anda hampir pasti akan melihat pemandangan yang terdistorsi. Efeknya telah lama membuat para ilmuwan dan non-ilmuwan sama-sama menduga bahwa, dengan waktu yang cukup, kaca mengalir seperti cairan yang sangat kental. Tetapi apakah ada validitas untuk klaim ini?

Pertanyaannya tidak sesederhana seperti yang terlihat pada awalnya. Sebenarnya, tidak ada yang bisa mengatakan dengan tepat kapan cairan berhenti menjadi cairan dan mulai menjadi gelas. Secara konvensional, fisikawan mengatakan cairan telah menjadi gelas ketika relaksasi atom – waktu bagi atom atau molekul untuk memindahkan sebagian besar diameternya – lebih lama dari 100 detik. Tingkat relaksasi ini sekitar 10¹⁰ kali lebih lambat daripada madu berair, dan 10¹⁴ kali lebih lambat daripada di air. Tetapi pilihan ambang ini bersifat arbitrer: tidak mencerminkan perubahan nyata dalam fisika fundamental.

Meski begitu, relaksasi 100 detik adalah definitif untuk semua tujuan manusia. Pada tingkat ini, sepotong gelas soda-kapur biasa akan membutuhkan waktu ribuan tahun untuk mengalir perlahan dan berubah menjadi silikon dioksida kristal yang lebih disukai secara energi – atau dikenal sebagai kuarsa. Jika kaca patri di gereja-gereja abad pertengahan melengkung, oleh karena itu, kemungkinan besar akibat teknik pembuat kaca asli (menurut standar modern) yang buruk. Di sisi lain, tidak ada yang melakukan percobaan seribu tahun untuk memeriksa.

Dalam mencari gelas "ideal"

Saat cairan mendingin, ia bisa mengeras menjadi gelas, atau mengkristal. Namun, suhu di mana transisi cairan ke gelas tidak tetap. Jika suatu cairan dapat didinginkan dengan sangat lambat sehingga tidak membentuk kristal, maka cairan tersebut pada akhirnya akan bertransisi ke gelas pada suhu yang lebih rendah, dan sebagai hasilnya membentuk gelas yang lebih padat. Itu Ahli kimia AS Walter Kauzmann mencatat fakta ini di akhir 1940-an, dan menggunakannya untuk memprediksi suhu di mana gelas akan terbentuk jika cairan didinginkan "dalam kesetimbangan" - yaitu, sangat lambat. "Kaca ideal" yang dihasilkan akan, secara paradoks, memiliki entropi yang sama dengan kristal, meskipun masih amorf, atau tidak teratur. Pada dasarnya, gelas yang ideal adalah tempat molekul dikemas bersama dalam susunan acak terpadat yang mungkin.

Pada tahun 2014 fisikawan termasuk Giorgio Parisi dari Sapienza University of Rome di Italia (yang berbagi Hadiah Nobel Fisika 2021, untuk karyanya tentang "interplay of disorder dan fluktuasi dalam sistem fisik") mengerjakan diagram fase yang tepat untuk pembentukan kaca ideal, dalam batas (secara matematis lebih mudah) dari dimensi spasial tak terbatas. Biasanya, kerapatan dapat menjadi parameter urutan untuk membedakan keadaan yang berbeda, tetapi dalam kasus kaca dan cairan, kerapatannya kira-kira sama. Sebaliknya, para peneliti harus menggunakan fungsi "tumpang tindih", yang menggambarkan kesamaan posisi molekul dalam kemungkinan konfigurasi amorf yang berbeda, pada suhu yang sama. Mereka menemukan bahwa ketika suhu kurang dari suhu Kauzmann, sistem cenderung jatuh ke keadaan yang berbeda dengan tumpang tindih yang tinggi: fase kaca.

Dalam tiga dimensi, atau bahkan sejumlah kecil dimensi yang terbatas, teori transisi kaca kurang pasti. Beberapa ahli teori telah mencoba untuk menggambarkannya secara termodinamika, sekali lagi menggunakan konsep kaca ideal. Yang lain percaya itu adalah proses "dinamis" di mana, pada suhu yang semakin rendah, semakin banyak kantong molekul yang ditangkap, sampai seluruh bagian menjadi lebih banyak kaca daripada tidak. Untuk waktu yang lama, pendukung kedua kubu telah berselisih. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, ahli teori materi terkondensasi Padi Royal di ESPCI Paris di Prancis dan rekan-rekannya mengklaim telah menunjukkan bagaimana kedua pendekatan tersebut dapat didamaikan (J. Chem. Phys 153 090901). “Banyak penolakan [terhadap kesepakatan] yang kita lihat 20 tahun lalu telah hilang,” katanya.

Dua rute menuju gelas yang lebih baik

Untuk mengubah properti kaca, Anda memiliki dua opsi dasar: mengubah komposisinya, atau mengubah cara pemrosesannya. Misalnya, menggunakan borosilikat daripada soda biasa dan kapur membuat kaca tidak mudah stres saat dipanaskan, itulah sebabnya gelas borosilikat sering digunakan sebagai pengganti soda kapur murni untuk peralatan panggang. Untuk membuat kaca lebih kuat lagi, permukaan luarnya dapat didinginkan lebih cepat daripada volumenya dalam proses “tempering”, seperti pada Pyrex asli Corning.

Inovasi Corning lainnya, Gorilla Glass untuk smartphone, memiliki resep komposisi dan pemrosesan yang lebih rumit untuk mencapai sifat tahan gores yang kuat. Sebuah bahan alkali-aluminosilikat di hati, diproduksi dalam lembaran di udara dalam proses "fusi ditarik" khusus yang cepat padam, sebelum direndam dalam larutan garam cair untuk penguatan kimia tambahan.

Biasanya, semakin padat kaca, semakin kuat. Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah menemukan bahwa kaca yang sangat padat dapat dibuat oleh deposisi uap fisik, di mana bahan yang menguap dikondensasikan ke permukaan dalam ruang hampa. Proses ini memungkinkan molekul untuk menemukan pengemasan yang paling efisien satu per satu, seperti permainan Tetris.

Menguasai logam

Dalam 1960 Pol Duwez, fisikawan benda terkondensasi Belgia yang bekerja di Caltech di California, AS, dengan cepat mendinginkan logam cair di antara sepasang rol yang didinginkan – teknik yang dikenal sebagai pendinginan percikan – ketika ia menemukan bahwa logam yang dipadatkan telah berubah menjadi kaca. Sejak itu, kacamata metalik telah memikat para ilmuwan material, sebagian karena sangat sulit dibuat dan sebagian karena sifatnya yang tidak biasa.

Dengan tidak adanya batas butir yang melekat pada logam kristal biasa, kacamata logam tidak mudah aus, itulah sebabnya NASA mengujinya untuk digunakan dalam kotak roda gigi bebas pelumas, terlihat di sini, di robot luar angkasanya. Kacamata ini juga menahan penyerapan energi kinetik – misalnya, bola yang terbuat dari bahan akan memantul untuk waktu yang sangat lama. Kacamata logam juga memiliki sifat magnetik lunak yang sangat baik, membuatnya menarik untuk transformator yang sangat efisien, dan dapat diproduksi dalam bentuk yang rumit, seperti plastik.

Banyak logam hanya akan berubah menjadi seperti kaca (jika memang demikian) pada laju pendinginan yang sangat cepat – miliaran derajat per detik atau lebih. Untuk alasan itu, peneliti biasanya mencari paduan yang bertransisi lebih mudah, biasanya dengan coba-coba. Dalam beberapa tahun terakhir, bagaimanapun, Ken Kelton di Universitas Washington di St. Louis, US, dan rekan telah menyarankan bahwa adalah mungkin untuk memprediksi kemungkinan suhu transisi kaca dengan mengukur viskositas geser dan ekspansi termal dari logam cair (Akta Mater. 172 1). Kelton dan timnya berlari proyek penelitian di Stasiun Luar Angkasa Internasional, untuk mempelajari suhu di mana logam benar-benar menjadi seperti kaca, dan menemukan bahwa proses transisi dimulai saat logam masih cair. Dengan mengukur seberapa kental cairan itu, para peneliti sekarang dapat menentukan apakah sebuah gelas akan terbentuk, dan bagaimana sifat-sifatnya nantinya. Seharusnya prediksi menjadi biasa, demikian juga kacamata metalik di perangkat komersial. Faktanya, perusahaan teknologi AS Apple telah lama memegang paten untuk penggunaan kaca metalik pada penutup smartphone, tetapi tidak pernah mempraktikkannya – mungkin karena sulitnya menemukan kaca metalik yang layak secara ekonomi.

Masa depan bahan perubahan fase

Sifat mekanik gelas dan kristal mungkin berbeda, tetapi biasanya sifat optik dan elektroniknya cukup mirip. Untuk mata yang tidak terlatih, misalnya, kaca silikon dioksida normal terlihat hampir sama dengan kuarsa, rekan kristalnya. Tetapi beberapa bahan – terutama kalkogenida, yang mencakup unsur-unsur dari golongan oksigen dalam tabel periodik – memiliki sifat optik dan elektronik yang sangat berbeda dalam keadaan kaca dan kristalnya. Jika bahan-bahan ini juga merupakan pembentuk kaca yang “buruk” (yaitu, mengkristal ketika dipanaskan secara sederhana), maka bahan tersebut berfungsi sebagai bahan yang disebut bahan pengubah fasa.

Sebagian besar dari kita akan menangani materi perubahan fase pada satu waktu atau yang lain: mereka adalah media penyimpanan data dari DVD yang dapat ditulis ulang dan cakram optik lainnya. Masukkan salah satu dari ini ke drive yang sesuai, dan laser dapat mengalihkan bit apa pun pada disk antara kondisi kaca dan kristal, yang mewakili nol biner atau satu. Saat ini, cakram optik sebagian besar telah digantikan oleh memori "flash" elektronik, yang memiliki kepadatan penyimpanan yang lebih besar dan tidak ada bagian yang bergerak. Kaca kalkogenida juga kadang-kadang digunakan dalam sirkuit optik terintegrasi fotonik, seperti yang digambarkan di sini. Materi perubahan fase terus menemukan aplikasi dalam penyimpanan data oleh Perusahaan teknologi AS Intel, dan "Optane" -nya merek memori, yang cepat diakses namun tidak mudah menguap (tidak terhapus saat daya dimatikan). Aplikasi ini tetap niche, namun.

Lebih menguntungkan, kata ahli teori solid-state Matthias Wuttig di RWTH Aachen University, Jerman, adalah untuk menanyakan dari mana properti perubahan fase berasal. Empat tahun lalu, dia dan yang lainnya mengusulkan jenis ikatan kimia baru, ikatan "metavalen", untuk menjelaskan asal-usulnya. Menurut Wuttig, ikatan metavalen memberikan beberapa delokalisasi elektron, seperti pada ikatan logam, tetapi dengan karakter pembagian elektron tambahan, seperti pada ikatan kovalen. Properti unik, termasuk perubahan fase, hasil (Adv. ibu. 30 1803777). Tidak semua orang di lapangan ingin menambahkan jenis ikatan baru ke buku teks, tetapi Wuttig yakin buktinya ada di puding. “Pertanyaannya sekarang adalah apakah [ikatan metavalen] memiliki kekuatan prediksi,” katanya. “Dan kami yakin itu.”

Gelas di tempat yang paling tidak Anda harapkan

Penggemar festival musik akan mengenali fenomena tersebut: Anda perlahan-lahan mencoba meninggalkan pertunjukan bersama ribuan orang lainnya, ketika tiba-tiba kerumunan berhenti, dan Anda tidak bisa bergerak lagi. Seperti molekul yang mendinginkan silika cair, gerakan Anda tiba-tiba terhenti – Anda dan sesama pengunjung festival telah berubah menjadi gelas. Atau analog gelas, setidaknya.

Analog kaca lainnya termasuk koloni semut, sel biologis yang terperangkap di antara slide, dan koloid, seperti busa cukur (lihat gambar di atas). Koloid khususnya, dengan partikel berukuran hingga mikron, adalah sistem yang nyaman untuk menguji teori transisi kaca, karena dinamikanya sebenarnya dapat dilihat melalui mikroskop. Yang lebih mengejutkan lagi adalah munculnya perilaku kaca dalam algoritme komputer tertentu. Misalnya, jika suatu algoritma dirancang untuk mencari solusi yang lebih baik secara progresif untuk masalah dengan sejumlah besar variabel, itu dapat menjadi kewalahan oleh kompleksitas dan terhenti sebelum solusi optimal ditemukan. Dengan meminjam metode statistik yang dirancang untuk studi dasar kacamata, bagaimanapun, algoritma tersebut dapat ditingkatkan, dan solusi yang lebih baik ditemukan.