우리가 여전히 설명할 수 없는 XNUMX가지 유리 미스터리: 금속 안경에서 예상치 못한 유사품에 이르기까지

흐르는 신화

중세 교회의 스테인드 글라스 창문을 들여다보면 거의 틀림없이 왜곡된 모습을 보게 될 것입니다. 그 효과는 과학자와 비과학자 모두에게 충분한 시간이 주어지면 유리가 예외적으로 점성이 있는 액체처럼 흐른다고 의심하도록 오랫동안 이끌었습니다. 그러나 이 주장에 타당성이 있습니까?

질문은 처음에 보이는 것처럼 간단하지 않습니다. 사실, 액체가 액체가 되기를 멈추고 유리가 되기 시작하는 시점을 정확히 말할 수 있는 사람은 아무도 없습니다. 일반적으로 물리학자들은 원자 이완(원자 또는 분자가 직경의 상당 부분을 이동하는 시간)이 100초보다 길면 액체가 유리가 되었다고 말합니다. 이 이완율은 약 10¹⁰ 흐르는 꿀보다 10배 느리다.¹⁴ 물보다 몇 배 느립니다. 그러나 이 임계값의 선택은 임의적입니다. 기본 물리학의 뚜렷한 변화를 반영하지 않습니다.

그럼에도 불구하고 100초의 휴식은 모든 인간의 목적에 있어서 결정적입니다. 이 속도로, 일반적인 소다 석회 유리 조각은 천천히 흘러 에너지적으로 더 유리한 결정질 이산화규소(또는 석영이라고도 함)로 변하는 데 영겁의 시간이 걸릴 것입니다. 따라서 중세 교회의 스테인드 글라스가 휘어진다면, 이는 원래의 유리 제작자(현대 기준으로 볼 때)의 서투른 기술의 결과일 가능성이 높습니다. 반면, 확인하기 위해 천년 동안 실험을 수행한 사람은 아무도 없습니다.

"이상적인" 유리를 찾아서

액체가 냉각되면 유리로 경화되거나 결정화될 수 있습니다. 그러나 액체가 유리로 변하는 온도는 고정되어 있지 않습니다. 액체가 결정을 형성하지 않을 정도로 천천히 냉각될 수 있다면, 액체는 궁극적으로 더 낮은 온도에서 유리로 전환되어 결과적으로 더 밀도가 높은 유리를 형성하게 됩니다. 그만큼 미국 화학자 월터 카우즈만 1940년대 후반에 이 사실에 주목했고 액체가 "평형 상태에서", 즉 무한히 천천히 냉각되는 경우 유리가 형성될 온도를 예측하는 데 사용했습니다. 생성된 "이상적인 유리"는 역설적으로 여전히 비정질이거나 무질서함에도 불구하고 결정과 동일한 엔트로피를 갖습니다. 본질적으로 이상적인 유리는 분자가 가능한 가장 조밀한 무작위 배열로 함께 포장되는 곳입니다.

2014년에 물리학자들을 포함한 이탈리아 로마 사피엔자 대학의 조르지오 파리시("물리 시스템의 무질서와 변동의 상호 작용"에 대한 연구로 2021년 노벨 물리학상 공동 수상))은 무한한 공간 차원의 (수학적으로 더 쉬운) 한계에서 이상적인 유리의 형성을 위한 정확한 위상 다이어그램을 만들었습니다. 일반적으로 밀도는 다른 상태를 구별하기 위한 차수 매개변수가 될 수 있지만 유리와 액체의 경우 밀도는 거의 같습니다. 대신, 연구원들은 동일한 온도에서 다양한 비정질 구성의 분자 위치 유사성을 설명하는 "중첩" 기능에 의존해야 했습니다. 그들은 온도가 카우즈만 온도보다 낮을 때 시스템이 높은 중첩이 있는 별개의 상태인 유리 상으로 떨어지는 경향이 있음을 발견했습니다.

XNUMX차원에서 또는 실제로 작은 유한 수의 차원에서 유리 전이 이론은 덜 확실합니다. 일부 이론가들은 다시 이상적인 유리 개념을 사용하여 열역학적으로 설명하려고 시도했습니다. 다른 사람들은 이것이 점진적으로 낮은 온도에서 전체 벌크가 유리보다 더 유리해질 때까지 점점 더 많은 분자 주머니가 체포되는 "동적" 과정이라고 믿습니다. 오랫동안 두 진영의 지지자들은 서로 겨루어 왔습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 응집 물질 이론가는 패디 로얄 프랑스 ESPCI 파리에서 동료들은 두 가지 접근 방식이 어떻게 크게 조화될 수 있는지 보여주었다고 주장합니다(J. Chem. 물리. 153 090901). "20년 전에 보았던 [합의에 대한] 많은 저항이 사라졌습니다."라고 그는 말합니다.

더 나은 유리를 위한 두 가지 경로

유리의 속성을 변경하려면 구성을 변경하거나 처리 방식을 변경하는 두 가지 기본 옵션이 있습니다. 예를 들어, 일반 소다와 석회 대신 붕규산을 사용하면 유리가 가열될 때 응력이 덜 발생하기 때문에 붕규산 유리는 종종 제빵용 순수 소다석회 대신 사용됩니다. 유리를 더욱 견고하게 만들기 위해 Corning의 원래 Pyrex에서와 같이 "템퍼링" 과정에서 외부 표면을 벌크보다 더 빠르게 냉각할 수 있습니다.

코닝의 또 다른 혁신 제품인 스마트폰용 Gorilla Glass는 강력하고 긁힘 방지 특성을 달성하기 위해 더 복잡한 구성 및 처리 방법을 사용합니다. 알칼리-알루미노실리케이트 재료의 핵심은 추가 화학적 강화를 위해 용융염 용액에 담그기 전에 특수 급속 냉각 "융합 연신" 공정으로 공기 중 시트에서 생산됩니다.

일반적으로 유리는 밀도가 높을수록 더 강합니다. 최근 몇 년 동안, 연구원들은 기화된 물질이 진공 상태에서 표면에 응축되는 물리적 기상 증착에 의해 매우 조밀한 유리가 생성될 수 있음을 발견했습니다. 이 과정을 통해 분자는 테트리스 게임처럼 한 번에 하나씩 가장 효율적인 패킹을 찾을 수 있습니다.

메탈릭 마스터링

1960에서 폴 두웨즈미국 캘리포니아 칼텍에서 일하는 벨기에의 응집 물질 물리학자는 한 쌍의 냉각 롤러 사이에서 용융 금속을 빠르게 냉각시키고 있었는데, 이 기술은 스플랫 퀜칭(splat quenching)으로 알려진 기술이었습니다. 그 이후로 금속 유리는 재료 과학자들의 마음을 사로잡았습니다. 부분적으로는 만들기가 너무 어렵고 부분적으로는 특이한 특성 때문입니다.

일반 결정질 금속에 내재된 결정립계가 없기 때문에 금속 유리는 쉽게 마모되지 않습니다. 그래서 NASA는 우주 로봇에서 여기에서 볼 수 있는 무급유 기어박스에 사용하기 위해 금속 유리를 테스트했습니다. 이 안경은 또한 운동 에너지의 흡수에 저항합니다. 예를 들어, 재료로 만들어진 공은 이상할 정도로 오랫동안 튕겨 나갈 것입니다. 금속 유리는 또한 우수한 연자성 특성을 가지므로 고효율 변압기에 매력적이며 플라스틱과 같은 복잡한 모양으로 제조할 수 있습니다.

많은 금속은 초당 수십억 도 이상의 숨이 멎을 정도로 빠른 냉각 속도에서만 유리처럼 변합니다(전혀 그렇게 된다면). 이러한 이유로 연구자들은 일반적으로 시행착오를 통해 더 쉽게 전이되는 합금을 찾습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 켄 켈튼(Ken Kelton), US와 동료들은 액체 금속의 전단 점도와 열팽창을 측정하여 가능한 유리 전이 온도를 예측하는 것이 가능하다고 제안했습니다.액타 메이터. 172 1). Kelton과 그의 팀은 국제우주정거장 연구 프로젝트, 금속이 실제로 유리가 되는 온도를 연구하기 위해 금속이 여전히 액체인 동안 전이 과정이 시작된다는 것을 발견했습니다. 액체의 점성을 측정함으로써 연구원들은 이제 유리가 형성되는지 여부와 그 속성 중 일부가 무엇인지 결정할 수 있습니다. 예측이 보편화되면 상용 장치의 금속 유리도 보편화될 것입니다. 사실, 미국 기술 회사인 Apple은 스마트폰 커버에 금속 유리를 사용하는 것에 대한 특허를 오랫동안 보유했지만 실제로는 실행하지 않았습니다. 아마도 경제적으로 실행 가능한 금속 유리를 찾기가 어렵기 때문일 것입니다.

상변화 물질의 미래

유리와 결정의 기계적 특성은 다를 수 있지만 일반적으로 광학 및 전자 특성은 상당히 유사합니다. 예를 들어, 훈련되지 않은 눈에는 일반 이산화규소 유리가 결정질 대응물인 석영과 거의 동일하게 보입니다. 그러나 주기율표의 산소족 원소를 포함하는 칼코게나이드와 같은 일부 물질은 유리질 상태와 결정질 상태에서 현저하게 다른 광학 및 전자 특성을 가지고 있습니다. 이러한 재료가 "나쁜" 유리 형성자일 경우(즉, 적당히 가열될 때 결정화됨) 소위 상 변화 재료 역할을 합니다.

우리 중 대부분은 상변화 자료를 한 번쯤 다루어 보았을 것입니다. 재기록 가능한 DVD 및 기타 광 디스크의 데이터 저장 매체입니다. 이들 중 하나를 적절한 드라이브에 삽입하면 레이저가 디스크의 모든 비트를 유리 상태와 결정 상태 사이에서 전환할 수 있으며 이진법 XNUMX 또는 XNUMX을 나타냅니다. 오늘날 광 디스크는 저장 밀도가 더 높고 움직이는 부품이 없는 전자 "플래시" 메모리로 대체되었습니다. 칼코게나이드 유리는 여기에 그림과 같이 광자 집적 광 회로에도 가끔 사용됩니다. 상변화 물질은 미국 기술 회사 Intel과 그 "Optane" 액세스가 빠르면서도 비휘발성인 메모리 브랜드입니다(전원이 꺼지더라도 지워지지 않음). 그러나 이 애플리케이션은 여전히 ​​틈새 시장입니다.

더 수익성이 있다고 고체 이론가는 말합니다. 독일 아헨대학교 RWTH의 Matthias Wuttig, 상변화 속성이 어디에서 왔는지 묻는 것입니다. XNUMX년 전, 그와 다른 사람들은 그 기원을 설명하기 위해 새로운 유형의 화학적 결합인 "메타가" 결합을 제안했습니다. Wuttig에 따르면, 메타가 결합은 금속 결합에서와 같이 약간의 전자 비편재화를 제공하지만 공유 결합에서와 같이 전자 공유 특성이 추가됩니다. 위상 변화, 결과(Adv. 교인. 30 1803777). 현장의 모든 사람이 교과서에 새로운 유형의 결합을 추가하고 싶어하는 것은 아니지만 Wuttig는 그 증거가 푸딩에 있을 것이라고 믿습니다. "지금 문제는 [메타가 결합]이 예측력을 가지고 있는지 여부입니다."라고 그는 말합니다. "그리고 우리는 그것이 있다고 확신합니다."

가장 기대하지 않는 유리

음악 축제의 팬들은 이러한 현상을 인지할 것입니다. 수천 명의 다른 사람들과 함께 공연을 천천히 떠나려고 하는데 갑자기 군중이 멈추고 더 이상 움직일 수 없게 됩니다. 용융 실리카의 분자처럼 갑자기 움직임이 정지됩니다. 당신과 당신의 동료 축제 참가자들은 유리잔으로 변했습니다. 또는 적어도 유리 아날로그.

다른 유리 유사체에는 개미 군체, 슬라이드 사이에 갇힌 생물학적 세포 및 면도 거품과 같은 콜로이드가 포함됩니다(위 이미지 참조). 특히 입자 크기가 최대 미크론인 콜로이드는 역학을 현미경을 통해 볼 수 있기 때문에 유리 전이 이론을 테스트하는 데 편리한 시스템입니다. 그러나 훨씬 더 놀라운 것은 특정 컴퓨터 알고리즘에서 유리 동작이 시작된다는 것입니다. 예를 들어, 알고리즘이 많은 변수가 있는 문제에 대해 점진적으로 더 나은 솔루션을 찾도록 설계된 경우 복잡성에 압도되어 최적의 솔루션을 찾기 전에 중단될 수 있습니다. 그러나 안경에 대한 근본적인 연구를 위해 설계된 통계적 방법을 차용함으로써 그러한 알고리즘을 개선할 수 있고 더 나은 솔루션을 찾을 수 있습니다.