まだ説明できないXNUMXつのガラスの謎：金属ガラスから予想外の類似物まで

流れる神話

中世の教会のステンドグラスの窓を通して見ると、ほぼ確実に歪んだ景色が見えます。 この効果により、科学者も非科学者も同様に、十分な時間が与えられると、ガラスは非常に粘性のある液体のように流れるのではないかと疑うようになりました。 しかし、この主張には正当性がありますか？

質問は、最初に表示されるほど単純ではありません。 実のところ、液体が液体でなくなり、ガラスになり始める時期を正確に言うことはできません。 従来、物理学者は、原子の緩和（原子または分子がその直径のかなりの部分を移動する時間）が100秒より長い場合、液体はガラスになったと言います。 この緩和率は約10です¹⁰ はちみつよりも10倍遅く、XNUMX¹⁴ 水中よりもXNUMX倍遅い。 ただし、このしきい値の選択は任意です。基本的な物理学に明確な変化がないことを反映しています。

それでも、100秒のリラクゼーションはすべての人間の目的にとって決定的なものです。 この速度では、一般的なソーダライムガラスの一部がゆっくりと流れ、よりエネルギー的に好ましい結晶性二酸化ケイ素（別名石英）に変わるまでに時間がかかります。 したがって、中世の教会のステンドグラスが歪んでいる場合は、元のガラス職人の（現代の基準による）不十分な技術の結果である可能性が高くなります。 一方で、千年の実験を行った人は誰もいません。

「理想的な」ガラスを求めて

液体が冷えると、固まってガラスになるか、結晶化する可能性があります。 ただし、液体がガラスに移行する温度は固定されていません。 液体を非常にゆっくりと冷却して結晶を形成しない場合、液体は最終的に低温でガラスに移行し、結果としてより高密度のガラスを形成します。 The 米国の化学者ウォルターカウズマン 1940年代後半にこの事実に注目し、液体が「平衡状態」で、つまり無限にゆっくりと冷却された場合にガラスが形成される温度を予測するために使用しました。 結果として得られる「理想的なガラス」は、逆説的に、まだアモルファスまたは無秩序であるにもかかわらず、結晶と同じエントロピーを持ちます。 本質的に、理想的なガラスは、分子が可能な限り密なランダムな配置で一緒に詰め込まれている場所です。

2014年に含む物理学者 イタリアのローマ・サピエンツァ大学のジョルジョ・パリシ（2021年のノーベル物理学賞を共有）は、「物理システムの無秩序と変動の相互作用」に関する研究で評価されました。）無限の空間次元の（数学的に簡単な）限界で、理想的なガラスを形成するための正確な状態図を作成しました。 通常、密度は異なる状態を区別するための秩序パラメーターですが、ガラスと液体の場合、密度はほぼ同じです。 代わりに、研究者は、同じ温度での異なる可能なアモルファス構成の分子の位置の類似性を説明する「オーバーラップ」関数に頼らなければなりませんでした。 彼らは、温度がカウズマン温度よりも低い場合、システムは、ガラス相という高いオーバーラップを伴う明確な状態に陥りやすいことを発見しました。

XNUMX次元、または実際には小さな有限数の次元では、ガラス転移の理論はそれほど確実ではありません。 一部の理論家は、再び理想的なガラスの概念を使用して、熱力学的にそれを説明しようとしました。 他の人は、それが「動的」プロセスであり、徐々に低い温度で、バルク全体がそうでないよりも多くのガラスになるまで、分子のポケットがますます多くなると信じています。 長い間、XNUMXつのキャンプの支持者はアカウミガメにいました。 しかし、ここ数年で、物性理論家 パディロワイヤル フランスのESPCIパリで、同僚たちは、XNUMXつのアプローチをどのように大きく調整できるかを示したと主張しています（J. Chem。 Phys。 153 090901）。 「20年前に見た[合意への]抵抗の多くは失われました」と彼は言います。

より良いガラスへのXNUMXつのルート

ガラスの特性を変更するには、XNUMXつの基本的なオプションがあります。ガラスの組成を変更するか、ガラスの処理方法を変更します。 たとえば、一般的なソーダとライムではなくホウケイ酸ガラスを使用すると、ガラスを加熱したときに応力がかかりにくくなります。そのため、耐熱皿には純粋なソーダライムの代わりにホウケイ酸ガラスがよく使用されます。 ガラスをさらに頑丈にするために、コーニングのオリジナルのパイレックスのように、「焼き戻し」プロセスでガラスの外面をバルクよりも急速に冷却することができます。

コーニングのもうXNUMXつの革新的なスマートフォン向けGorillaGlassは、強力で傷のつきにくい特性を実現するために、より複雑な構成と処理のレシピを備えています。 本質的にアルカリアルミノケイ酸塩材料であり、追加の化学的強化のために溶融塩溶液に浸される前に、特別な急冷「融着」プロセスで空中シートで製造されます。

通常、ガラスの密度が高いほど、ガラスは強くなります。 近年、研究者は、気化した材料を真空中で表面に凝縮させる物理蒸着によって、非常に緻密なガラスを作成できることを発見しました。 このプロセスにより、分子はテトリスのゲームのように、一度にXNUMXつずつ最も効率的なパッキングを見つけることができます。

メタリックをマスターする

１９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。 ポール・デュエー米国カリフォルニア工科大学のカルテックで働いているベルギーの物性物理学者は、固化した金属がガラス状になったことを発見したとき、一対の冷却ローラー間で溶融金属を急速に冷却していました。 それ以来、金属ガラスは、製造が非常に難しいことと、その異常な特性のために、材料科学者を魅了してきました。

通常の結晶性金属に固有の粒界がないため、金属ガラスは簡単に摩耗しません。そのため、NASAは、宇宙ロボットの潤滑剤を含まないギアボックスでの使用をテストしました。 これらのガラスは、運動エネルギーの吸収にも抵抗します。たとえば、材料で作られたボールは、奇妙なほど長い時間跳ね返ります。 金属ガラスはまた、優れた軟磁気特性を備えているため、高効率の変圧器にとって魅力的であり、プラスチックのような複雑な形状で製造することができます。

多くの金属は、息を呑むほど速い冷却速度（毎秒数十億度以上）でのみガラス質になります（そうするとしても）。 そのため、研究者は通常、試行錯誤によって、より簡単に遷移する合金を探します。 しかし、過去数年間で セントルイスのワシントン大学のケン・ケルトン、 米国と同僚は、液体金属のせん断粘度と熱膨張を測定することで、ガラス転移温度の可能性を予測できることを示唆しています（ActaMater。 172 1）。 ケルトンと彼のチームは 国際宇宙ステーションの研究プロジェクト、金属が実際にガラス状になる温度を調査し、金属がまだ液体である間に遷移プロセスが開始することを発見しました。 液体の粘性を測定することで、研究者はガラスが形成されるかどうか、およびその特性の一部がどのようになるかを判断できます。 予測が一般的になれば、商用デバイスの金属ガラスも一般的になります。 実際、米国のハイテク企業であるAppleは、スマートフォンのカバーに金属ガラスを使用する特許を長い間保持してきましたが、経済的に実行可能な金属ガラスを見つけるのが難しいためか、それを実践したことはありません。

相変化材料の未来

ガラスと結晶の機械的特性は異なる場合がありますが、通常、それらの光学的特性と電子的特性はかなり似ています。 たとえば、訓練を受けていない人の目には、通常の二酸化ケイ素ガラスは、その結晶の対応物である石英とほとんど同じに見えます。 しかし、一部の材料、特に周期表の酸素基の元素を含むカルコゲニドは、ガラス状態と結晶状態が著しく異なる光学的および電子的特性を持っています。 これらの材料がたまたま「悪い」ガラス形成剤である（つまり、適度に加熱されると結晶化する）場合、それらはいわゆる相変化材料として機能します。

私たちのほとんどは、相変化材料を一度に処理したことがあります。それらは、書き換え可能なDVDやその他の光ディスクのデータ記憶媒体です。 これらのXNUMXつを適切なドライブに挿入すると、レーザーはディスク上の任意のビットをガラス状態と結晶状態の間で切り替えることができ、XNUMX進数のXNUMXまたはXNUMXを表します。 今日、光ディスクは、より大きなストレージ密度を持ち、可動部品がない電子「フラッシュ」メモリに大きく取って代わられています。 ここに示すように、カルコゲニドガラスはフォトニック集積光回路でも使用されることがあります。 相変化材料は、データストレージでのアプリケーションを見つけ続けています 米国のテクノロジー企業Intelとその「Optane」 ブランドのメモリ。アクセスは高速ですが、不揮発性です（電源をオフにしても消去されません）。 ただし、このアプリケーションはニッチなままです。

より収益性が高い、と固体理論家は言います ドイツ、アーヘン工科大学のMatthias Wuttig、相変化特性がどこから来ているのかを尋ねることです。 XNUMX年前、彼と他の人々は、その起源を説明するために、新しいタイプの化学結合、「メタバレント」結合を提案しました。 Wuttigによると、メタバレント結合は、金属結合の場合と同様に電子の非局在化をもたらしますが、共有結合の場合と同様に電子共有特性が追加されます。 相変化を含む独自の特性により、（前売 母校。 30 1803777）。 現場の誰もが教科書に新しいタイプの結合を追加したいとは限りませんが、Wuttigはその証拠がプリンにあると信じています。 「今の問題は、[メタバレントボンディング]に予測力があるかどうかです」と彼は言います。 「そして、私たちはそれが持っていると確信しています。」

あなたがそれを最も期待しないところのガラス

音楽祭のファンはこの現象を認識するでしょう。突然群衆が止まり、それ以上動くことができなくなったとき、あなたは他の何千人もの人々と一緒にゆっくりとパフォーマンスを離れようとしています。 溶融シリカを冷却する分子のように、あなたの動きは突然阻止されます–あなたとあなたの仲間のフェスティバル参加者はガラスに変わりました。 または、少なくともガラスのアナログ。

他のガラス類似体には、アリのコロニー、スライドの間に閉じ込められた生体細胞、シェービングフォームなどのコロイドが含まれます（上の画像を参照）。 特にコロイドは、最大ミクロンのサイズの粒子を持ち、ガラス転移の理論をテストするための便利なシステムです。それらのダイナミクスは実際に顕微鏡で見ることができるからです。 ただし、さらに驚くべきことは、特定のコンピューターアルゴリズムでのガラスの動作の開始です。 たとえば、アルゴリズムが多数の変数を持つ問題に対して徐々により良い解決策を探すように設計されている場合、それは複雑さに圧倒され、最適な解決策が見つかる前に停止する可能性があります。 しかし、眼鏡の基礎研究のために設計された統計的手法を借りることにより、そのようなアルゴリズムを改善することができ、より良い解決策を見つけることができます。