חמש תעלומות זכוכית שעדיין לא נוכל להסביר: ממשקפיים מתכתיים ועד אנלוגים בלתי צפויים

המיתוס הזורם

הביטו מבעד לחלונות הוויטראז' של כל כנסייה מימי הביניים, וכמעט בטוח תראו נוף מעוות. ההשפעה הובילה זה מכבר מדענים ולא מדענים כאחד לחשוד שבהינתן מספיק זמן, הזכוכית זורמת כמו נוזל צמיג במיוחד. אך האם יש תוקף לטענה זו?

השאלה אינה פשוטה כפי שהיא עשויה להיראות בהתחלה. למען האמת, אף אחד לא יכול לומר בדיוק מתי נוזל מפסיק להיות נוזל ומתחיל להיות כוס. באופן קונבנציונלי, פיסיקאים אומרים כי נוזל הפך לכוס כאשר ההרפיה האטומית - הזמן של אטום או מולקולה להזיז חלק ניכר מקוטרם - ארוך מ-100 שניות. שיעור הרפיה זה הוא בערך 10¹⁰ פעמים איטי יותר מאשר בדבש נוזלי, ו-10¹⁴ פעמים איטי יותר מאשר במים. אבל הבחירה בסף הזה היא שרירותית: היא לא משקפת שום שינוי מובהק בפיזיקה היסודית.

למרות זאת, הרפיה של 100 שניות היא מוחלטת לכל המטרות האנושיות. בקצב הזה, לפיסת זכוכית סודה-ליים נפוצה ייקח עידנים כדי לזרום באיטיות ולהפוך לסיליקון דו-חמצני הגבישי הטוב יותר מבחינה אנרגטית - הידוע גם בשם קוורץ. אם הוויטראז'ים בכנסיות מימי הביניים מעוותות, לכן, סביר יותר שזה נובע מהטכניקה הגרועה של יצרן הזכוכית המקורי (בסטנדרטים מודרניים). מצד שני, אף אחד לא ביצע ניסוי בן אלף שנים כדי לבדוק.

בחיפוש אחר הזכוכית ה"אידיאלית".

כאשר נוזל מתקרר, הוא יכול להתקשות לכוס או להתגבש. עם זאת, הטמפרטורה שבה נוזל עובר לכוס אינה קבועה. אם ניתן לקרר נוזל כל כך לאט עד שהוא לא יוצר גביש, אז הנוזל יעבור בסופו של דבר לכוס בטמפרטורה נמוכה יותר, ויווצר צפוף יותר כתוצאה מכך. ה הכימאי האמריקאי וולטר קאוזמן ציין עובדה זו בסוף שנות ה-1940, והשתמש בה כדי לחזות את הטמפרטורה שבה תיווצר כוס אם נוזל יתקרר "בשיווי משקל" - כלומר, לאט לאט. ל"זכוכית האידיאלית" שנוצרה, באופן פרדוקסלי, תהיה אותה אנטרופיה כמו גביש, למרות שהוא עדיין אמורפי או מופרע. בעיקרו של דבר, זכוכית אידיאלית היא המקום שבו מולקולות ארוזות יחד בסידור האקראי הצפוף ביותר האפשרי.

בשנת 2014 פיזיקאים כולל ג'ורג'יו פריזי מאוניברסיטת סאפיינזה ברומא באיטליה (שחלק את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2021, על עבודתו על "המשחק הגומלין של אי סדר ותנודות במערכות פיזיות") חיבר דיאגרמת פאזה מדויקת להיווצרות זכוכית אידיאלית, בגבול (הקל יותר מבחינה מתמטית) של ממדים מרחביים אינסופיים. בדרך כלל, צפיפות יכולה להיות פרמטר סדר כדי להבחין בין מצבים שונים, אבל במקרה של זכוכית ונוזל, הצפיפות היא בערך זהה. במקום זאת, החוקרים נאלצו להיעזר בפונקציית "חפיפה", המתארת ​​את הדמיון במיקומים של מולקולות בתצורות אמורפיות שונות אפשריות, באותה טמפרטורה. הם מצאו שכאשר הטמפרטורה נמוכה מטמפרטורת קאוזמן, המערכת נוטה ליפול למצב מובחן עם חפיפה גבוהה: פאזת זכוכית.

בתלת מימד, או בעצם בכל מספר סופי קטן של ממדים, התיאוריה של מעבר הזכוכית פחות בטוחה. כמה תיאורטיקנים ניסו לתאר זאת בצורה תרמודינמית, שוב תוך שימוש במושג הזכוכית האידיאלי. אחרים מאמינים שזהו תהליך "דינמי" שבו, בטמפרטורות נמוכות יותר ויותר, יותר ויותר כיסים של מולקולות נעצרים, עד שהחלק כולו הופך ליותר זכוכית מאשר לא. במשך זמן רב, תומכי שני המחנות מתקוטטים. בשנתיים האחרונות, לעומת זאת, תיאורטיקן של חומר דחוס פאדי רויאל ב-ESPCI Paris בצרפת ועמיתיו טוענים שהראו כיצד ניתן ליישב את שתי הגישות במידה רבה (ג'יי צ'ם. פיז. 153 090901). "הרבה מההתנגדות [להסכם] שראינו לפני 20 שנה אבדה", הוא אומר.

שני מסלולים לכוס טובה יותר

כדי לשנות את תכונות הזכוכית, יש לך שתי אפשרויות בסיסיות: לשנות את הרכבה, או לשנות את אופן העיבוד שלה. לדוגמה, שימוש בבורוזיליקט במקום בסודה ובסיד הנפוצים הופך את הזכוכית לפחות נוטה ללחץ בעת חימום, וזו הסיבה שזכוכית בורוסיליקט משמשת לעתים קרובות במקום סיד סודה טהור לכלי אפייה. כדי להפוך את הזכוכית לחזקה עוד יותר, ניתן לקרר את פני השטח החיצוניים שלה מהר יותר מאשר בתפזורת שלה בתהליך "חיסול", כמו ב-Pyrex המקורי של קורנינג.

עוד אחד מהחידושים של קורנינג, Gorilla Glass לסמארטפונים, יש מתכון מסובך יותר של הרכב ועיבוד כדי להשיג את התכונות החזקות והעמידות בפני שריטות. חומר אלקלי-אלומוסיליקט בלב, הוא מיוצר ביריעה באוויר בתהליך מיוחד עם הרתיחה מהירה של "פיוז'ן", לפני טבילה בתמיסת מלח מותכת לחיזוק כימי נוסף.

בדרך כלל, ככל שהכוס צפופה יותר, כך היא חזקה יותר. בשנים האחרונות, חוקרים גילו שניתן ליצור זכוכית צפופה מאוד על ידי שקיעת אדים פיזית, שבה חומר אידוי מתעבה על משטח בוואקום. התהליך מאפשר למולקולות למצוא את האריזה היעילה ביותר שלהן אחת בכל פעם, כמו משחק טטריס.

שליטה במטאלי

ב 1960 פול דווז, פיזיקאי בלגי של חומר מרוכז שעבד ב-Caltech בקליפורניה, ארה"ב, קירר במהירות מתכות מותכות בין זוג גלילים מקוררים - טכניקה הידועה כ-splat quenching - כאשר גילה שהמתכות המוצקות הפכו לזכוכית. מאז, משקפיים מתכתיים ריגשו את מדעני החומרים, חלקית בגלל שהם כל כך קשים להכנה וחלקית בגלל תכונותיהם יוצאות הדופן.

עם אף אחד מגבולות התבואה הגלומים במתכות גבישיות רגילות, משקפיים מתכתיים לא נשחקים בקלות וזו הסיבה ש-NASA בדקה אותם לשימוש בתיבות הילוכים ללא חומר סיכה, כפי שניתן לראות כאן, ברובוטים החלליים שלה. המשקפיים האלה גם מתנגדים לספיגה של אנרגיה קינטית - למשל, כדור העשוי מהחומר יקפץ לזמן ארוך בצורה מוזרה. למשקפיים מתכתיים יש גם תכונות מגנטיות רכות מעולות, מה שהופך אותם לאטרקטיביים עבור שנאים יעילים ביותר, וניתן לייצר אותם בצורות מורכבות, כמו פלסטיק.

מתכות רבות יהפכו לזכוכית רק (אם הן יעשו זאת בכלל) בקצבי קירור מהירים עוצרי נשימה - מיליארדי מעלות בשנייה או יותר. מסיבה זו, חוקרים בדרך כלל מחפשים סגסוגות שעוברות בקלות רבה יותר, בדרך כלל על ידי ניסוי וטעייה. אולם בשנים האחרונות, קן קלטון באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, ארה"ב ועמיתיו הציעו שניתן לחזות את טמפרטורת מעבר הזכוכית הסבירה על ידי מדידת צמיגות הגזירה והתפשטות תרמית של מתכת נוזלית (אקטה מאטר. 172 1). קלטון והצוות שלו רצו א פרויקט מחקר על תחנת החלל הבינלאומית, כדי לחקור את הטמפרטורה שבה מתכת הופכת למעשה לזכוכית, ומצא שתהליך המעבר מתחיל כשהמתכת עדיין נוזלית. על ידי מדידת מידת הצמיג של הנוזל, החוקרים יכולים כעת לקבוע אם תיווצר זכוכית, ומה יהיו חלק מהמאפיינים שלה. אם חיזוי יהפוך לדבר שבשגרה, כך גם משקפיים מתכתיים במכשירים מסחריים יכולים להיות. למעשה, חברת הטכנולוגיה האמריקנית אפל מחזיקה זה מכבר בפטנט לשימוש בזכוכית מתכתית על כיסויי סמארטפונים, אך מעולם לא מימשה זאת בפועל - אולי בגלל הקושי למצוא זכוכית מתכתית משתלמת כלכלית.

העתיד של חומרים לשינוי שלב

התכונות המכניות של כוסות וקריסטלים עשויות להיות שונות, אך בדרך כלל התכונות האופטיות והאלקטרוניות שלהם דומות למדי. לעין לא מאומנת, למשל, זכוכית סיליקון-דו-חמצנית רגילה נראית כמעט זהה לקוורץ, המקבילה הקריסטלית שלה. אבל לחומרים מסוימים - בעיקר לכלקוגנידים, הכוללים יסודות מקבוצת החמצן של הטבלה המחזורית - יש תכונות אופטיות ואלקטרוניות השונות באופן ניכר במצב הזכוכית והגבישי שלהם. אם חומרים אלה הם במקרה גם יוצרי זכוכית "רעים" (כלומר, מתגבשים בחימום צנוע) אז הם משמשים כחומרי שינוי פאזה כביכול.

רובנו נטפל בחומרים לשינוי שלב בזמן זה או אחר: הם אמצעי אחסון הנתונים של תקליטורי DVD הניתנים לכתיבה מחדש ודיסקים אופטיים אחרים. הכנס אחד מאלה לכונן מתאים, ולייזר יכול להעביר כל סיביות בדיסק בין המצב הזכוכיתי והגבישי, המייצג אפס בינארי או אחד. כיום, דיסקים אופטיים הוחלפו במידה רבה על ידי זיכרון "פלאש" אלקטרוני, בעל צפיפות אחסון גדולה יותר וללא חלקים נעים. זכוכית כלקוגנייד משמשת לפעמים גם במעגלים אופטיים משולבים פוטוניים, כפי שמוצג כאן. חומרים לשינוי שלב המשיכו למצוא יישומים באחסון נתונים על ידי חברת הטכנולוגיה האמריקאית אינטל, וה-Optane שלה מותג זיכרון, שאליו ניתן לגשת במהירות אך אינו נדיף (הוא אינו נמחק כאשר מכבים את המתח). עם זאת, יישום זה נשאר נישה.

רווחי יותר, אומר תיאורטיקן של מצב מוצק מתיאס ווטיג מאוניברסיטת RWTH Aachen, גרמניה, הוא לשאול מאיפה מגיע מאפיין שינוי השלב. לפני ארבע שנים, הוא ואחרים הציעו סוג חדש של קשר כימי, קשר "מטוואלנטי", כדי להסביר את מקורו. לפי ווטיג, קשר מטא-וולנטי מספק דה-לוקליזציה מסוימת של אלקטרונים, כמו בקשר מתכתי, אך עם אופי שיתוף אלקטרוני נוסף, כמו בקשר קוולנטי. מאפיינים ייחודיים, כולל שינוי שלב, תוצאה (עו"ד מטר. 30 1803777). לא כולם בתחום רוצים להוסיף סוג חדש של חיבור לספרי הלימוד, אבל ווטיג מאמין שההוכחה תהיה בפודינג. "השאלה כעת היא האם [לקשר מטאוולנטי] יש כוח ניבוי", הוא אומר. "ואנחנו משוכנעים שכן."

זכוכית איפה שאתה הכי פחות מצפה לזה

חובבי פסטיבלי מוזיקה יזהו את התופעה: אתה לאט לאט מנסה לצאת מהופעה יחד עם עוד אלפי אנשים, כשלפתע הקהל נעצר, ואי אפשר לזוז יותר. כמו מולקולה בקירור סיליקה מותכת, התנועה שלך נעצרת לפתע - אתה וחבריך המבקרים בפסטיבל הפכתם לכוס. או אנלוגי זכוכית, לפחות.

אנלוגים אחרים מזכוכית כוללים מושבות נמלים, תאים ביולוגיים הכלואים בין שקופיות וקולואידים, כגון קצף גילוח (ראה תמונה למעלה). קולואידים במיוחד, עם חלקיקים בגודל של עד מיקרון, הם מערכות נוחות לבדיקת תיאוריות של מעבר הזכוכית, שכן ניתן לראות את הדינמיקה שלהם דרך מיקרוסקופ. עם זאת, מפתיעה אף יותר היא ההתחלה של התנהגות זכוכית באלגוריתמים מסוימים של מחשבים. לדוגמה, אם אלגוריתם מתוכנן לחפש פתרונות טובים יותר לבעיה עם מספר רב של משתנים, הוא עלול להיות המום ממורכבות ולהיפסק לפני שהפתרון האופטימלי יימצא. אולם על ידי השאלת שיטות סטטיסטיות המיועדות למחקר בסיסי של משקפיים, ניתן לשפר אלגוריתמים כאלה ולמצוא פתרונות טובים יותר.