Pet steklenih skrivnosti, ki jih še vedno ne moremo pojasniti: od kovinskih stekel do nepričakovanih analogov

Tekoči mit

Poglejte skozi vitraže katere koli srednjeveške cerkve in skoraj zagotovo boste videli popačen pogled. Učinek je tako znanstvenike kot neznanstvenike že dolgo navajal na domnevo, da steklo ob zadostnem času teče kot izjemno viskozna tekočina. Toda ali je ta trditev sploh utemeljena?

Vprašanje ni tako preprosto, kot se zdi na prvi pogled. V resnici nihče ne more natančno reči, kdaj tekočina preneha biti tekočina in postane steklo. Običajno fiziki pravijo, da je tekočina postala steklo, ko je atomska sprostitev – čas, ko atom ali molekula premakne pomemben del svojega premera – daljša od 100 sekund. Ta stopnja sprostitve je približno 10¹⁰ krat počasneje kot pri tekočem medu in 10¹⁴ krat počasneje kot v vodi. Toda izbira tega praga je poljubna: ne odraža nobene posebne spremembe v osnovni fiziki.

Kljub temu je 100-sekundna sprostitev dokončna za vse človeške namene. Pri tej hitrosti bi kos navadnega natrijevega stekla potreboval eone, da bi počasi stekel in se spremenil v energijsko ugodnejši kristalni silicijev dioksid – sicer znan kot kremen. Če so vitraži v srednjeveških cerkvah deformirani, je torej bolj verjetno posledica (po sodobnih standardih) slabe tehnike prvotnega steklarja. Po drugi strani pa nihče ni izvedel tisočletnega poskusa, da bi preveril.

V iskanju “idealnega” stekla

Ko se tekočina ohlaja, se lahko strdi v steklo ali kristalizira. Vendar pa temperatura, pri kateri tekočina preide v steklo, ni fiksna. Če lahko tekočino ohlajamo tako počasi, da ne tvori kristalov, bo tekočina na koncu prešla v steklo pri nižji temperaturi in posledično oblikovala gostejše. The Ameriški kemik Walter Kauzmann je to dejstvo opazil v poznih 1940-ih in ga uporabil za napoved temperature, pri kateri bi nastalo steklo, če bi tekočino ohlajali "v ravnovesju" - to je neskončno počasi. Nastalo "idealno steklo" bi paradoksalno imelo enako entropijo kot kristal, čeprav je še vedno amorfen ali neurejen. V bistvu je idealno steklo tisto, kjer so molekule zapakirane skupaj v čim gostejši naključni razporeditvi.

Leta 2014 tudi fiziki Giorgio Parisi z rimske univerze Sapienza v Italiji (ki si je leta 2021 delil Nobelovo nagrado za fiziko za svoje delo o »medsebojnem delovanju nereda in nihanj v fizičnih sistemih«)) je izdelal natančen fazni diagram za nastanek idealnega stekla, v (matematično lažji) meji neskončnih prostorskih dimenzij. Običajno je lahko gostota parameter reda za razlikovanje različnih stanj, vendar je v primeru stekla in tekočine gostota približno enaka. Namesto tega so se morali raziskovalci zateči k funkciji "prekrivanja", ki opisuje podobnost v položajih molekul v različnih možnih amorfnih konfiguracijah pri isti temperaturi. Ugotovili so, da ko je temperatura nižja od Kauzmannove temperature, je sistem nagnjen k padcu v izrazito stanje z visokim prekrivanjem: stekleno fazo.

V treh dimenzijah ali v katerem koli majhnem končnem številu dimenzij je teorija steklenega prehoda manj gotova. Nekateri teoretiki so ga poskušali opisati termodinamično, spet z uporabo koncepta idealnega stekla. Drugi verjamejo, da gre za "dinamičen" proces, v katerem se pri postopno nižjih temperaturah ustavi vedno več žepov molekul, dokler celotna masa ne postane bolj stekla kot ne. Zagovorniki obeh taborov so bili dolgo časa sprti. V zadnjih nekaj letih pa je teoretik kondenzirane snovi Paddy Royall na ESPCI Paris v Franciji in njegovi kolegi trdijo, da so pokazali, kako je mogoče oba pristopa v veliki meri uskladiti (J. Chem. Fiz. 153 090901). "Veliko odpora [do sporazuma], ki smo ga videli pred 20 leti, je izgubljeno," pravi.

Dve poti do boljšega kozarca

Če želite spremeniti lastnosti stekla, imate na voljo dve osnovni možnosti: spremenite njegovo sestavo ali spremenite način obdelave. Na primer, uporaba borosilikata namesto običajne sode in apna naredi steklo manj izpostavljeno obremenitvam pri segrevanju, zato se borosilikatno steklo pogosto uporablja namesto čistega natrijevega apna za pekače. Da bi bilo steklo še bolj robustno, je njegovo zunanjo površino mogoče ohladiti hitreje kot njegovo večino v procesu »kaljenja«, kot pri Corningovem originalnem Pyrexu.

Še ena Corningova inovacija, steklo Gorilla Glass za pametne telefone, ima bolj zapleten recept za sestavo in obdelavo, da doseže močne lastnosti, odporne na praske. V osnovi je alkalno-aluminosilikatni material, ki se proizvaja v plošči v zraku v posebnem postopku s hitrim kaljenjem "fusion drawn", preden se potopi v raztopino staljene soli za dodatno kemično utrjevanje.

Običajno je kozarec gostejši, močnejši je. V zadnjih letih so raziskovalci odkrili, da je zelo gosto steklo mogoče ustvariti s fizičnim naparjevanjem, pri katerem se uparjen material kondenzira na površino v vakuumu. Postopek omogoča molekulam, da eno za drugo najdejo svoje najučinkovitejše pakiranje, kot igra Tetris.

Obvladovanje kovinskega

V 1960 Pol Duwez, belgijski fizik kondenzirane snovi, zaposlen pri Caltechu v Kaliforniji v ZDA, je hitro ohlajal staljene kovine med parom ohlajenih valjev – tehnika, znana kot kaljenje z brizganjem –, ko je odkril, da so strjene kovine postale steklaste. Od takrat so kovinska stekla navdušila znanstvenike za materiale, deloma zato, ker jih je tako težko izdelati, deloma pa zaradi njihovih nenavadnih lastnosti.

Ker ni meja zrn, značilnih za navadne kristalne kovine, se kovinska stekla ne obrabijo zlahka, zato jih je NASA preizkusila za uporabo v menjalnikih brez maziv, ki jih vidimo tukaj, v svojih vesoljskih robotih. Ta očala se upirajo tudi absorpciji kinetične energije – na primer, žoga iz materiala se bo čudno dolgo odbijala. Kovinska stekla imajo tudi odlične mehke magnetne lastnosti, zaradi česar so privlačna za visoko učinkovite transformatorje, in jih je mogoče izdelati v zapletenih oblikah, kot je plastika.

Številne kovine postanejo steklaste (če sploh postanejo) pri osupljivo hitrih hitrostih ohlajanja – milijarde stopinj na sekundo ali več. Iz tega razloga raziskovalci običajno iščejo zlitine, ki lažje prehajajo, običajno s poskusi in napakami. V zadnjih nekaj letih pa Ken Kelton z univerze Washington v St Louisu, ZDA in sodelavci so predlagali, da je možno predvideti verjetno temperaturo posteklenitve z merjenjem strižne viskoznosti in toplotnega raztezanja tekoče kovine (Acta Mater. 172 1). Kelton in njegova ekipa so vodili a raziskovalni projekt na mednarodni vesoljski postaji, da bi preučil temperaturo, pri kateri kovina dejansko postane steklasta, in ugotovil, da se proces prehoda začne, ko je kovina še tekoča. Z merjenjem viskoznosti tekočine lahko raziskovalci zdaj ugotovijo, ali bo nastalo steklo in kakšne bodo nekatere njegove lastnosti. Če bi napovedovanje postalo nekaj običajnega, bi lahko postala običajna tudi kovinska stekla v komercialnih napravah. Pravzaprav ima ameriško tehnološko podjetje Apple že dolgo patent za uporabo kovinskega stekla na pokrovih pametnih telefonov, vendar tega nikoli ni uporabilo v praksi – morda zaradi težav pri iskanju kovinskega stekla, ki bi bilo ekonomsko upravičeno.

Prihodnost materialov s fazno spremembo

Mehanske lastnosti stekel in kristalov so lahko različne, običajno pa so njihove optične in elektronske lastnosti precej podobne. Neizkušenemu očesu je na primer običajno steklo iz silicijevega dioksida videti skoraj enako kot kremen, njegov kristalni dvojnik. Toda nekateri materiali – zlasti halkogenidi, ki vključujejo elemente iz kisikove skupine periodnega sistema – imajo optične in elektronske lastnosti, ki se izrazito razlikujejo v steklastem in kristalnem stanju. Če so ti materiali tudi "slabi" oblikovalci stekla (to je, kristalizirajo pri zmernem segrevanju), potem služijo kot tako imenovani materiali s fazno spremembo.

Večina od nas bo nekoč imela roko s fazno spremenjenimi materiali: so medij za shranjevanje podatkov večkrat zapisljivih DVD-jev in drugih optičnih diskov. Enega od teh vstavite v ustrezen pogon in laser bo lahko preklopil kateri koli bit na disku med steklenim in kristalnim stanjem, ki predstavlja binarno ničlo ali ena. Danes so optični diski v veliki meri izpodrinjeni z elektronskim »flash« pomnilnikom, ki ima večjo gostoto shranjevanja in nima gibljivih delov. Halkogenidno steklo se včasih uporablja tudi v fotonskih integriranih optičnih vezjih, kot je prikazano tukaj. Materiali za spreminjanje faze še naprej najdejo aplikacije pri shranjevanju podatkov Ameriško tehnološko podjetje Intel in njegov »Optane« blagovna znamka pomnilnika, ki je hiter za dostop, vendar je neobstojen (se ne izbriše, ko je napajanje izklopljeno). Vendar ta aplikacija ostaja nišna.

Bolj donosno, pravi teoretik trdne snovi Matthias Wuttig na univerzi RWTH Aachen, Nemčija, je vprašati, od kod izvira lastnost fazne spremembe. Pred štirimi leti je skupaj z drugimi predlagal novo vrsto kemične vezi, »metavalentno« vez, da bi razložil njen izvor. Po Wuttigu metavalentna vez zagotavlja nekaj delokalizacije elektronov, kot pri kovinski vezi, vendar z dodanim značajem deljenja elektronov, kot pri kovalentni vezi. Rezultat so edinstvene lastnosti, vključno s spreminjanjem faze (Adv. Mater. 30 1803777). Vsi na tem področju ne želijo dodati nove vrste lepljenja v učbenike, vendar Wuttig verjame, da bo dokaz v pudingu. "Vprašanje je zdaj, ali ima [metavalentna vez] napovedno moč," pravi. "In prepričani smo, da je."

Steklo tam, kjer ga najmanj pričakuješ

Ljubitelji glasbenih festivalov bodo prepoznali fenomen: počasi skušaš zapustiti nastop skupaj s tisoči drugih ljudi, ko naenkrat množica obstane in se ne moreš več premakniti. Kot molekula v ohlajajočem staljenem silicijevem dioksidu je vaše gibanje nenadoma ustavljeno – vi in ​​vaši kolegi obiskovalci festivala ste se spremenili v kozarec. Ali vsaj stekleni analog.

Drugi stekleni analogi vključujejo kolonije mravelj, biološke celice, ujete med stekelci, in koloide, kot je pena za britje (glejte sliko zgoraj). Zlasti koloidi z delci velikosti do mikronov so priročni sistemi za preizkušanje teorij o steklenem prehodu, saj je njihovo dinamiko dejansko mogoče videti skozi mikroskop. Še bolj presenetljiv pa je pojav stekla v nekaterih računalniških algoritmih. Na primer, če je algoritem zasnovan tako, da išče vse boljše rešitve za problem z velikim številom spremenljivk, ga lahko preobremeni kompleksnost in se ustavi, preden se najde optimalna rešitev. Z izposojo statističnih metod, zasnovanih za temeljno študijo očal, pa je mogoče takšne algoritme izboljšati in najti boljše rešitve.