Fem glasiga mysterier vi fortfarande inte kan förklara: från metalliska glasögon till oväntade analoger

Den flödande myten

Titta genom de målade glasfönstren i vilken medeltida kyrka som helst, och du kommer nästan säkert att se en förvrängd utsikt. Effekten har länge fått både forskare och icke-forskare att misstänka att glas flyter som en exceptionellt trögflytande vätska, givet tillräckligt med tid. Men finns det någon giltighet i detta påstående?

Frågan är inte så okomplicerad som den först kan verka. I själva verket kan ingen säga exakt när en vätska slutar vara en vätska och börjar vara ett glas. Konventionellt säger fysiker att en vätska har blivit ett glas när atomavslappningen - tiden för en atom eller molekyl att flytta en betydande del av sin diameter - är längre än 100 sekunder. Denna avslappningsgrad är cirka 10¹⁰ gånger långsammare än i rinnande honung, och 10¹⁴ gånger långsammare än i vatten. Men valet av denna tröskel är godtyckligt: ​​det återspeglar ingen tydlig förändring i den grundläggande fysiken.

Trots det är en 100 sekunders avslappning definitivt för alla mänskliga ändamål. Med den här hastigheten skulle en bit vanligt soda-lime-glas ta evigheter att sakta flöda och förvandlas till den mer energimässigt gynnsamma kristallina kiseldioxiden – även känd som kvarts. Om det målade glaset i medeltida kyrkor är skevt är det därför mer troligt ett resultat av den ursprungliga glasmakarens (med moderna mått) dåliga teknik. Å andra sidan har ingen gjort ett tusenårigt experiment för att kontrollera.

På jakt efter det "ideala" glaset

När en vätska svalnar kan den antingen stelna till ett glas eller kristallisera. Temperaturen vid vilken en vätska övergår till ett glas är dock inte fixerad. Om en vätska kan kylas så långsamt att den inte bildar en kristall, kommer vätskan i slutändan att övergå till ett glas vid en lägre temperatur, och bilda ett tätare glas som ett resultat. De USA:s kemist Walter Kauzmann noterade detta faktum i slutet av 1940-talet och använde det för att förutsäga temperaturen vid vilken ett glas skulle bildas om en vätska kyldes "i jämvikt" - det vill säga oändligt långsamt. Det resulterande "ideala glaset" skulle paradoxalt nog ha samma entropi som en kristall, trots att det fortfarande är amorft eller oordnat. I grund och botten är ett idealiskt glas där molekyler packas ihop i det tätaste möjliga slumpmässiga arrangemanget.

Under 2014 fysiker inklusive Giorgio Parisi vid Sapienza-universitetet i Rom i Italien (som delade 2021 års Nobelpris i fysik, för sitt arbete med "samspelet mellan störningar och fluktuationer i fysiska system") utarbetade ett exakt fasdiagram för bildandet av ett idealglas, i (matematiskt enklare) gränsen för oändliga rumsliga dimensioner. Vanligtvis kan densitet vara en ordningsparameter för att särskilja olika tillstånd, men i fallet med glas och en vätska är densiteten ungefär densamma. Istället var forskarna tvungna att ta till en "överlappande" funktion, som beskriver likheten i positioner av molekyler i olika möjliga amorfa konfigurationer, vid samma temperatur. De fann att när temperaturen är lägre än Kauzmann-temperaturen är systemet benäget att falla in i ett distinkt tillstånd med en hög överlappning: en glasfas.

I tre dimensioner, eller faktiskt vilket litet ändligt antal dimensioner som helst, är teorin om glasövergången mindre säker. Vissa teoretiker har försökt beskriva det termodynamiskt, återigen med hjälp av det ideala glaskonceptet. Andra tror att det är en "dynamisk" process där, vid gradvis lägre temperaturer, fler och fler fickor av molekyler stannar, tills hela massan blir mer glas än inte. Under lång tid har förespråkarna för de två lägren varit i strid. Under de senaste åren, men kondenserad materia teoretiker Paddy Royall vid ESPCI Paris i Frankrike och kollegor hävdar att de har visat hur de två tillvägagångssätten till stor del kan förenas (J. Chem. Phys. 153 090901). "Mycket av motståndet [mot överenskommelse] vi såg för 20 år sedan har gått förlorat", säger han.

Två vägar till ett bättre glas

För att ändra glasets egenskaper har du två grundläggande alternativ: ändra dess sammansättning eller ändra det sätt på vilket det bearbetas. Om man till exempel använder borsilikat istället för vanlig soda och lime gör glaset mindre benäget att stressas vid upphettning, vilket är anledningen till att borosilikatglas ofta används i stället för ren sodakalk för bakverk. För att göra glaset ännu mer robust kan dess yttre yta kylas snabbare än dess bulk i en "härdningsprocess", som i Cornings ursprungliga Pyrex.

En annan av Cornings innovationer, Gorilla Glass för smartphones, har ett mer komplicerat recept på sammansättning och bearbetning för att uppnå sina starka, reptåliga egenskaper. Ett alkali-aluminatsilikatmaterial i hjärtat, det produceras i ett ark i luften i en speciell snabbsläckt "fusionsdragen" process, innan det nedsänks i en smält saltlösning för ytterligare kemisk förstärkning.

Vanligtvis, ju tätare ett glas är, desto starkare är det. På senare år har forskare upptäckt att mycket tätt glas kan skapas genom fysisk ångavsättning, där ett förångat material kondenseras på en yta i vakuum. Processen tillåter molekyler att hitta sin mest effektiva packning en i taget, som en omgång Tetris.

Att bemästra det metalliska

i 1960 Pol Duwez, en belgisk fysiker av kondenserad materia som arbetade på Caltech i Kalifornien, USA, kylde snabbt smält metall mellan ett par kylda rullar – en teknik som kallas stänksläckning – när han upptäckte att de stelnade metallerna hade blivit glasaktiga. Sedan dess har metallglas trollbundit materialforskare, dels för att de är så svåra att tillverka och dels på grund av deras ovanliga egenskaper.

Med ingen av korngränserna som finns i vanliga kristallina metaller, slits metallglas inte lätt, vilket är anledningen till att NASA har testat dem för användning i smörjmedelsfria växellådor, se här, i sina rymdrobotar. Dessa glasögon motstår också absorptionen av kinetisk energi – till exempel kommer en boll gjord av materialet att studsa under en konstigt lång tid. Metallglas har också utmärkta mjukmagnetiska egenskaper, vilket gör dem attraktiva för högeffektiva transformatorer, och kan tillverkas i intrikata former, som plast.

Många metaller blir bara glasiga (om de gör det alls) med hisnande snabba nedkylningshastigheter - miljarder grader per sekund eller mer. Av den anledningen söker forskare vanligtvis legeringar som övergår lättare, vanligtvis genom försök och misstag. Under de senaste åren har dock Ken Kelton vid Washington University i St Louis, USA och kollegor har föreslagit att det är möjligt att förutsäga den sannolika glasövergångstemperaturen genom att mäta skjuvviskositeten och den termiska expansionen av en flytande metall (Acta Mater. 172 1). Kelton och hans team körde en forskningsprojekt om den internationella rymdstationen, för att studera temperaturen vid vilken en metall faktiskt blir glasaktig, och fann att övergångsprocessen startar medan metallen fortfarande är en vätska. Genom att mäta hur trögflytande vätskan är kan forskarna nu avgöra om ett glas kommer att bildas och vilka några av dess egenskaper kommer att vara. Skulle förutsägelse bli vanligt, så kan metallglas i kommersiella enheter också. Faktum är att det amerikanska teknikföretaget Apple länge har haft ett patent på användningen av metalliskt glas på smartphoneskal, men har aldrig omsatt det i praktiken – kanske på grund av svårigheten att hitta ett metalliskt glas som är ekonomiskt lönsamt.

Framtiden för fasförändringsmaterial

De mekaniska egenskaperna hos glas och kristaller kan vara olika, men vanligtvis är deras optiska och elektroniska egenskaper ganska lika. För det otränade ögat ser till exempel normalt kiseldioxidglas nästan likadant ut som kvarts, dess kristallina motsvarighet. Men vissa material - särskilt kalkogenider, som inkluderar element från syregruppen i det periodiska systemet - har optiska och elektroniska egenskaper som är markant olika i sina glasartade och kristallina tillstånd. Om dessa material också råkar vara "dåliga" glasbildare (det vill säga kristalliseras vid måttligt uppvärmning) så fungerar de som så kallade fasförändringsmaterial.

De flesta av oss kommer att ha hanterat fasförändringsmaterial vid ett eller annat tillfälle: de är datalagringsmediet för omskrivbara DVD-skivor och andra optiska skivor. Sätt in en av dessa i en lämplig enhet, och en laser kan växla vilken bit som helst på skivan mellan det glasartade och kristallina tillståndet, vilket representerar en binär nolla eller en. Idag har optiska skivor till stor del ersatts av elektroniskt "flash"-minne, som har en större lagringstäthet och inga rörliga delar. Kalkogenidglas används också ibland i fotoniskt integrerade optiska kretsar, som på bilden här. Fasförändringsmaterial har fortsatt att hitta tillämpningar inom datalagring av Det amerikanska teknikföretaget Intel och dess "Optane" minnesmärke, som är snabb att komma åt men ändå icke-flyktigt (det raderas inte när strömmen stängs av). Denna applikation förblir dock nisch.

Mer lönsamt, säger solid state-teoretikern Matthias Wuttig vid RWTH Aachen University, Tyskland, är att fråga varifrån fasförändringsegenskapen kommer. För fyra år sedan föreslog han och andra en ny typ av kemisk bindning, "metavalent" bindning, för att förklara dess ursprung. Enligt Wuttig ger metavalent bindning viss elektrondelokalisering, som vid metallisk bindning, men med en extra elektrondelande karaktär, som vid kovalent bindning. Unika egenskaper, inklusive fasförändrande, resultat (Adv. Mater. 30 1803777). Alla inom området vill inte lägga till en ny typ av bindning till läroböckerna, men Wuttig tror att beviset kommer att finnas i puddingen. "Frågan nu är om [metavalent bindning] har prediktiv kraft", säger han. "Och det är vi övertygade om."

Glas där du minst anar det

Fans av musikfestivaler kommer att känna igen fenomenet: du försöker sakta lämna en föreställning tillsammans med tusentals andra människor, när folkmassan plötsligt stannar och du inte kan röra dig mer. Som en molekyl i kylande smält kiseldioxid, stoppas din rörelse plötsligt – du och dina medfestivalbesökare har förvandlats till ett glas. Eller åtminstone en glasanalog.

Andra glasanaloger inkluderar myrkolonier, biologiska celler instängda mellan objektglas och kolloider, såsom rakskum (se bilden ovan). Kolloider i synnerhet, med partiklar som sträcker sig upp till mikron i storlek, är bekväma system för att testa teorier om glasövergången, eftersom deras dynamik faktiskt kan ses genom ett mikroskop. Ännu mer överraskande är dock uppkomsten av glasbeteende i vissa datoralgoritmer. Till exempel, om en algoritm är utformad för att söka efter progressivt bättre lösningar på ett problem med ett stort antal variabler, kan den bli överväldigad av komplexitet och stanna innan den optimala lösningen hittas. Genom att låna statistiska metoder utformade för grundläggande studier av glasögon kan dock sådana algoritmer förbättras och bättre lösningar hittas.