Fem glassaktige mysterier vi fortsatt ikke kan forklare: fra metalliske briller til uventede analoger

Den flytende myten

Se gjennom glassmaleriene til enhver middelalderkirke, og du vil nesten helt sikkert se en forvrengt utsikt. Effekten har lenge ført til at både forskere og ikke-vitenskapsmenn mistenker at glasset, gitt nok tid, flyter som en eksepsjonelt tyktflytende væske. Men er det noen gyldighet i denne påstanden?

Spørsmålet er ikke så enkelt som det kan se ut til å begynne med. I sannhet kan ingen si nøyaktig når en væske slutter å være en væske og begynner å være et glass. Konvensjonelt sier fysikere at en væske har blitt et glass når atomavslapningen - tiden for et atom eller molekyl til å bevege seg en betydelig del av diameteren - er lengre enn 100 sekunder. Denne avslapningsgraden er omtrent 10¹⁰ ganger langsommere enn i rennende honning, og 10¹⁴ ganger langsommere enn i vann. Men valget av denne terskelen er vilkårlig: den gjenspeiler ingen tydelig endring i den grunnleggende fysikken.

Likevel er en avslapning på 100 sekunder definitivt for alle menneskelige formål. Med denne hastigheten vil det ta evigheter før et stykke vanlig soda-lime-glass sakte flyter og blir til det mer energisk gunstige krystallinske silisiumdioksidet – ellers kjent som kvarts. Hvis glassmaleriet i middelalderkirker er forvrengt, er det derfor mer sannsynlig et resultat av den originale glassmakerens (etter moderne standarder) dårlige teknikk. På den annen side er det ingen som har utført et tusenårig eksperiment for å sjekke.

På jakt etter det "ideelle" glasset

Når en væske avkjøles, kan den enten stivne til et glass eller krystallisere. Temperaturen der en væske går over til et glass er imidlertid ikke fast. Hvis en væske kan avkjøles så sakte at den ikke danner en krystall, vil væsken til slutt gå over til et glass ved lavere temperatur, og danne et tettere som et resultat. De Den amerikanske kjemikeren Walter Kauzmann bemerket dette faktum på slutten av 1940-tallet, og brukte det til å forutsi temperaturen et glass ville dannes ved hvis en væske ble avkjølt "i likevekt" - det vil si uendelig sakte. Det resulterende "ideelle glasset" ville paradoksalt nok ha samme entropi som en krystall, til tross for at den fortsatt er amorf eller uorden. I hovedsak er et ideelt glass der molekyler er pakket sammen i et tettest mulig tilfeldig arrangement.

I 2014 fysikere inkludert Giorgio Parisi ved Sapienza-universitetet i Roma i Italia (som delte 2021 Nobelprisen i fysikk, for sitt arbeid med "samspillet mellom forstyrrelser og fluktuasjoner i fysiske systemer") utarbeidet et eksakt fasediagram for dannelsen av et ideelt glass, i (matematisk enklere) grensen for uendelige romlige dimensjoner. Vanligvis kan tetthet være en ordensparameter for å skille forskjellige tilstander, men når det gjelder glass og en væske, er tettheten omtrent den samme. I stedet måtte forskerne ty til en "overlappende" funksjon, som beskriver likheten i posisjoner til molekyler i forskjellige mulige amorfe konfigurasjoner, ved samme temperatur. De fant at når temperaturen er lavere enn Kauzmann-temperaturen, er systemet utsatt for å falle inn i en distinkt tilstand med høy overlapping: en glassfase.

I tre dimensjoner, eller faktisk et hvilket som helst lite begrenset antall dimensjoner, er teorien om glassovergangen mindre sikker. Noen teoretikere har forsøkt å beskrive det termodynamisk, igjen ved å bruke det ideelle glasskonseptet. Andre mener det er en "dynamisk" prosess der, ved gradvis lavere temperaturer, blir flere og flere lommer av molekyler arrestert, inntil hele bulken blir mer glass enn ikke. I lang tid har talsmenn for de to leirene vært i strid. I løpet av de siste par årene har imidlertid kondensert materie teoretiker Paddy Royall ved ESPCI Paris i Frankrike og kolleger hevder å ha vist hvordan de to tilnærmingene stort sett kan forenes (J. Chem. Fys. 153 090901). "Mye av motstanden [mot enighet] vi så for 20 år siden har gått tapt," sier han.

To veier til et bedre glass

For å endre egenskapene til glass har du to grunnleggende alternativer: endre sammensetningen, eller endre måten det behandles på. For eksempel, bruk av borosilikat i stedet for vanlig brus og lime gjør glass mindre utsatt for stress når det varmes opp, og det er grunnen til at borosilikatglass ofte brukes i stedet for ren sodakalk til bakevarer. For å gjøre glasset enda mer robust, kan dets ytre overflate avkjøles raskere enn dets bulk i en "tempereringsprosess", som i Cornings originale Pyrex.

En annen av Cornings innovasjoner, Gorilla Glass for smarttelefoner, har en mer komplisert oppskrift på sammensetning og prosessering for å oppnå sine sterke, ripebestandige egenskaper. Et alkali-aluminiumsilikatmateriale i hjertet, det produseres i et ark midt i luften i en spesiell hurtigkjølt "fusjonstrukket" prosess, før det senkes ned i en smeltet saltløsning for ytterligere kjemisk forsterkning.

Vanligvis, jo tettere et glass er, jo sterkere er det. De siste årene har forskere oppdaget at svært tett glass kan skapes ved fysisk dampavsetning, der et fordampet materiale kondenseres på en overflate i vakuum. Prosessen lar molekyler finne sin mest effektive pakking en om gangen, som et spill Tetris.

Mestrer det metalliske

i 1960 Pol Duwez, en belgisk fysiker av kondensert stoff som jobbet ved Caltech i California, USA, kjølte raskt ned smeltede metaller mellom et par avkjølte valser – en teknikk kjent som splat quenching – da han oppdaget at de størknede metallene hadde blitt glassaktige. Siden den gang har metallglass trollbundet materialforskere, dels fordi de er så vanskelige å lage og dels på grunn av deres uvanlige egenskaper.

Med ingen av korngrensene som er iboende i vanlige krystallinske metaller, slites metallglass ikke lett, og det er grunnen til at NASA har testet dem for bruk i smøremiddelfrie girkasser, sett her, i sine romroboter. Disse brillene motstår også absorpsjon av kinetisk energi – for eksempel vil en ball laget av materialet sprette i merkelig lang tid. Metalliske glass har også utmerkede myke magnetiske egenskaper, noe som gjør dem attraktive for svært effektive transformatorer, og kan produseres i intrikate former, som plast.

Mange metaller vil bare bli glassaktige (hvis de gjør det i det hele tatt) med forbløffende raske avkjølingshastigheter - milliarder av grader per sekund eller mer. Av den grunn søker forskere vanligvis legeringer som går lettere, vanligvis ved prøving og feiling. I de siste årene har imidlertid Ken Kelton ved Washington University i St Louis, USA og kolleger har antydet at det er mulig å forutsi den sannsynlige glassovergangstemperaturen ved å måle skjærviskositeten og termisk utvidelse av et flytende metall (Acta Mater. 172 1). Kelton og teamet hans løp en forskningsprosjekt om den internasjonale romstasjonen, for å studere temperaturen der et metall faktisk blir glassaktig, og fant ut at overgangsprosessen starter mens metallet fortsatt er en væske. Ved å måle hvor tyktflytende væsken er, kan forskerne nå finne ut om et glass vil dannes, og hva noen av dets egenskaper vil være. Skulle spådommer bli vanlig, så kunne metallglass i kommersielle enheter også. Faktisk har det amerikanske teknologiselskapet Apple lenge hatt patent på bruk av metallisk glass på smarttelefondeksler, men har aldri tatt det i bruk – kanskje på grunn av vanskeligheten med å finne et metallisk glass som er økonomisk forsvarlig.

Fremtiden for faseendringsmaterialer

De mekaniske egenskapene til glass og krystaller kan være forskjellige, men vanligvis er deres optiske og elektroniske egenskaper ganske like. For et utrent øye, for eksempel, ser normalt silisiumdioksidglass nesten ut som kvarts, dets krystallinske motstykke. Men noen materialer - spesielt kalkogenider, som inkluderer elementer fra oksygengruppen i det periodiske systemet - har optiske og elektroniske egenskaper som er markant forskjellige i deres glassaktige og krystallinske tilstander. Hvis disse materialene også tilfeldigvis er "dårlige" glassdannere (det vil si krystalliserer når de blir moderat oppvarmet), fungerer de som såkalte faseendringsmaterialer.

De fleste av oss vil ha håndtert faseendringsmaterialer på et eller annet tidspunkt: de er datalagringsmediet for overskrivbare DVD-er og andre optiske plater. Sett en av disse inn i en passende stasjon, og en laser kan bytte hvilken som helst bit på platen mellom glassaktig og krystallinsk tilstand, som representerer en binær null eller en. I dag har optiske plater i stor grad blitt erstattet av elektronisk "flash"-minne, som har en større lagringstetthet og ingen bevegelige deler. Kalkogenidglass brukes også noen ganger i fotoniske integrerte optiske kretser, som vist her. Faseendringsmaterialer har fortsatt å finne applikasjoner i datalagring av Det amerikanske teknologiselskapet Intel, og dets "Optane" minnemerke, som er rask tilgjengelig, men likevel ikke-flyktig (det slettes ikke når strømmen slås av). Denne applikasjonen forblir imidlertid nisje.

Mer lønnsomt, sier solid state-teoretiker Matthias Wuttig ved RWTH Aachen University, Tyskland, er å spørre hvor faseendringsegenskapen kommer fra. For fire år siden foreslo han og andre en ny type kjemisk binding, "metavalent" binding, for å forklare opprinnelsen. I følge Wuttig gir metavalent binding noe elektrondelokalisering, som i metallisk binding, men med en ekstra elektrondelingskarakter, som i kovalent binding. Unike egenskaper, inkludert faseendrende resultat (Adv. Mater. 30 1803777). Ikke alle i feltet ønsker å legge til en ny type binding til lærebøkene, men Wuttig tror beviset vil ligge i puddingen. "Spørsmålet nå er om [metavalent binding] har prediktiv kraft," sier han. – Og det er vi overbevist om.

Glass der du minst venter det

Fans av musikkfestivaler vil kjenne igjen fenomenet: du prøver sakte å forlate en forestilling sammen med tusenvis av andre mennesker, når publikum plutselig stopper opp og du ikke kan bevege deg mer. Som et molekyl i avkjøling av smeltet silika, blir bevegelsen din plutselig stoppet – du og dine andre festivalgjengere har blitt til et glass. Eller en glassanalog, i det minste.

Andre glassanaloger inkluderer maurkolonier, biologiske celler fanget mellom objektglass og kolloider, for eksempel barberskum (se bildet over). Spesielt kolloider, med partikler som varierer opp til mikron i størrelse, er praktiske systemer for å teste teorier om glassovergangen, siden deres dynamikk faktisk kan sees gjennom et mikroskop. Enda mer overraskende er imidlertid utbruddet av glassoppførsel i visse datamaskinalgoritmer. For eksempel, hvis en algoritme er designet for å finne stadig bedre løsninger på et problem med et stort antall variabler, kan den bli overveldet av kompleksitet og stoppe opp før den optimale løsningen er funnet. Ved å låne statistiske metoder designet for grunnleggende studie av briller, kan imidlertid slike algoritmer forbedres, og bedre løsninger finnes.