ปริศนาลึกลับห้าประการที่เรายังอธิบายไม่ได้: ตั้งแต่แก้วโลหะไปจนถึงอะนาล็อกที่คาดไม่ถึง

ตำนานที่ไหลลื่น

มองผ่านหน้าต่างกระจกสีของโบสถ์ยุคกลางแห่งใดๆ แล้วคุณแทบจะมองเห็นทิวทัศน์ที่บิดเบี้ยวอย่างแน่นอน ผลดังกล่าวทำให้ทั้งนักวิทยาศาสตร์และผู้ที่ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่า เมื่อมีเวลาเพียงพอ แก้วจะไหลราวกับของเหลวที่มีความหนืดเป็นพิเศษ แต่ข้อเรียกร้องนี้มีความถูกต้องหรือไม่?

คำถามไม่ตรงไปตรงมาเท่าที่ควรในตอนแรก ในความเป็นจริง ไม่มีใครสามารถพูดได้อย่างแม่นยำเมื่อของเหลวหยุดเป็นของเหลวและเริ่มเป็นแก้ว ตามอัตภาพ นักฟิสิกส์กล่าวว่าของเหลวกลายเป็นแก้วเมื่อการคลายตัวของอะตอม ซึ่งเป็นเวลาที่อะตอมหรือโมเลกุลจะเคลื่อนที่ส่วนสำคัญของเส้นผ่านศูนย์กลางของมัน นั้นนานกว่า 100 วินาที อัตราการผ่อนคลายนี้อยู่ที่ประมาณ 10¹⁰ ช้ากว่าน้ำผึ้งไหลเป็น 10 เท่า และ XNUMX เท่า¹⁴ ช้ากว่าในน้ำหลายเท่า แต่การเลือกเกณฑ์นี้ขึ้นอยู่กับอำเภอใจ มันไม่ได้สะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนในฟิสิกส์พื้นฐาน

Even so, a 100 second relaxation is definitive for all human purposes. At this rate, a piece of common soda-lime glass would take aeons to slowly flow and turn into the more energetically favourable crystalline silicon dioxide – otherwise known as quartz. If the stained glass in medieval churches is warped, therefore, it is more likely a result of the original glassmaker’s (by modern standards) poor technique. On the other hand, no-one has performed a thousand-year experiment to check.

ในการค้นหากระจกที่ "เหมาะ"

เมื่อของเหลวเย็นตัวลง ก็สามารถแข็งตัวเป็นแก้วหรือตกผลึกได้ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่ของเหลวเปลี่ยนเป็นแก้วไม่คงที่ หากของเหลวสามารถระบายความร้อนได้ช้าจนไม่ก่อตัวเป็นผลึก ในที่สุดของเหลวก็จะเปลี่ยนเป็นแก้วที่อุณหภูมิต่ำกว่า และเกิดเป็นของเหลวที่หนาแน่นขึ้นในที่สุด ที่ นักเคมีชาวสหรัฐฯ วอลเตอร์ เคาซมันน์ สังเกตข้อเท็จจริงนี้ในช่วงปลายทศวรรษ 1940 และใช้มันเพื่อทำนายอุณหภูมิที่แก้วจะก่อตัวหากของเหลวถูกทำให้เย็นลง "ในสภาวะสมดุล" นั่นคือช้าอย่างไม่มีที่สิ้นสุด “แก้วในอุดมคติ” ผลลัพธ์ที่ขัดแย้งกันคือมีเอนโทรปีเหมือนกับคริสตัล แม้ว่าจะยังคงเป็นอสัณฐานหรือไม่เป็นระเบียบก็ตาม โดยพื้นฐานแล้ว แก้วในอุดมคติคือที่ที่โมเลกุลรวมตัวกันในการจัดเรียงแบบสุ่มที่หนาแน่นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ในปี 2014 นักฟิสิกส์ได้แก่ Giorgio Parisi จากมหาวิทยาลัย Sapienza แห่งกรุงโรมในอิตาลี (ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2021 จากผลงานของเขาเรื่อง "การมีส่วนร่วมของความผิดปกติและความผันผวนในระบบทางกายภาพ") ได้จัดทำแผนภาพเฟสที่แน่นอนสำหรับการก่อตัวของกระจกในอุดมคติ ในขอบเขตมิติเชิงพื้นที่อันไม่มีที่สิ้นสุด (ง่ายกว่าทางคณิตศาสตร์) โดยปกติแล้ว ความหนาแน่นอาจเป็นตัวแปรลำดับในการแยกแยะสถานะต่างๆ แต่ในกรณีของแก้วและของเหลว ความหนาแน่นจะใกล้เคียงกัน นักวิจัยต้องใช้ฟังก์ชัน "ทับซ้อนกัน" ซึ่งอธิบายความคล้ายคลึงกันในตำแหน่งของโมเลกุลในรูปแบบอสัณฐานที่แตกต่างกันที่เป็นไปได้ที่อุณหภูมิเดียวกัน พวกเขาพบว่าเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิของ Kauzmann ระบบมีแนวโน้มที่จะตกอยู่ในสถานะที่แตกต่างและมีการทับซ้อนกันสูง: เฟสแก้ว

ในสามมิติหรือมิติใดๆ ที่มีจำกัดเล็กๆ น้อยๆ ทฤษฎีการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วมีความแน่นอนน้อยกว่า นักทฤษฎีบางคนได้พยายามที่จะอธิบายสิ่งนี้ในเชิงอุณหพลศาสตร์ โดยใช้แนวคิดแก้วในอุดมคติอีกครั้ง คนอื่นๆ เชื่อว่ามันเป็นกระบวนการ "ไดนามิก" ซึ่งที่อุณหภูมิลดลงเรื่อยๆ โมเลกุลจะจับตัวกันมากขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งมวลสารทั้งหมดกลายเป็นแก้วมากกว่าปกติ เป็นเวลานานแล้วที่ผู้เสนอทั้งสองค่ายอยู่ในสภาพคนโง่เง่า อย่างไรก็ตาม ในช่วงสองสามปีที่ผ่านมา นักทฤษฎีเรื่องสสารควบแน่น แพดดี้ รอยัล ที่ ESPCI Paris ในฝรั่งเศสและเพื่อนร่วมงานอ้างว่าได้แสดงให้เห็นว่าทั้งสองแนวทางสามารถคืนดีกันได้อย่างไร (เจ เคม. สรีรวิทยา 153 090901- “การต่อต้าน [ข้อตกลง] มากมายที่เราเห็นเมื่อ 20 ปีที่แล้วได้สูญเสียไปแล้ว” เขากล่าว

สองเส้นทางสู่กระจกที่ดีกว่า

หากต้องการเปลี่ยนคุณสมบัติของแก้ว คุณมีสองตัวเลือกพื้นฐาน: เปลี่ยนองค์ประกอบ หรือเปลี่ยนวิธีการประมวลผล ตัวอย่างเช่น การใช้บอโรซิลิเกตแทนโซดาและมะนาวทั่วไปทำให้แก้วมีแนวโน้มที่จะเกิดความเครียดน้อยลงเมื่อถูกความร้อน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแก้วบอโรซิลิเกตจึงมักใช้แทนโซดาไลม์บริสุทธิ์สำหรับภาชนะอบขนม เพื่อให้กระจกมีความทนทานมากยิ่งขึ้น พื้นผิวด้านนอกของกระจกสามารถระบายความร้อนได้เร็วกว่าเทกองในกระบวนการ "แบ่งเบาบรรเทา" เช่นเดียวกับใน Pyrex ดั้งเดิมของ Corning

อีกหนึ่งนวัตกรรมของ Corning คือ Gorilla Glass สำหรับสมาร์ทโฟน มีสูตรที่ซับซ้อนมากขึ้นในการจัดองค์ประกอบและการประมวลผลเพื่อให้ได้คุณสมบัติที่แข็งแกร่งและทนทานต่อรอยขีดข่วน หัวใจของวัสดุอัลคาไล-อลูมิโนซิลิเกต ผลิตขึ้นในแผ่นกลางอากาศในกระบวนการ "ดึงฟิวชั่น" ดับอย่างรวดเร็วแบบพิเศษ ก่อนที่จะนำไปแช่ในสารละลายเกลือหลอมเหลวเพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้กับสารเคมี

โดยปกติแล้ว แก้วยิ่งมีความหนาแน่นมากเท่าไรก็ยิ่งแข็งแกร่งเท่านั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ค้นพบว่าแก้วที่มีความหนาแน่นสูงสามารถสร้างขึ้นได้โดยการสะสมไอทางกายภาพ ซึ่งวัสดุที่ระเหยกลายเป็นไอจะถูกควบแน่นบนพื้นผิวในสุญญากาศ กระบวนการนี้ช่วยให้โมเลกุลสามารถค้นหาบรรจุภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดได้ทีละรายการ เหมือนกับเกม Tetris

การเรียนรู้โลหะ

ใน 1960 โพล ดูเวซนักฟิสิกส์เรื่องควบแน่นชาวเบลเยียมที่ทำงานที่คาลเทคในรัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา กำลังทำให้โลหะหลอมเหลวเย็นลงอย่างรวดเร็วระหว่างลูกกลิ้งระบายความร้อนคู่หนึ่ง ซึ่งเป็นเทคนิคที่เรียกว่าการดับแผ่นโลหะ เมื่อเขาค้นพบว่าโลหะที่แข็งตัวแล้วกลายเป็นแก้ว นับตั้งแต่นั้นมา แก้วโลหะก็สร้างความประทับใจให้กับนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะทำได้ยาก และอีกส่วนหนึ่งเป็นเพราะคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดา

เนื่องจากไม่มีขอบเขตของเกรนในโลหะผลึกธรรมดา แก้วโลหะจึงไม่สึกหรอง่าย ซึ่งเป็นสาเหตุที่ NASA ทดสอบแว่นตาเหล่านี้เพื่อใช้ในระบบเกียร์ไร้สารหล่อลื่น ดังที่เห็นในหุ่นยนต์อวกาศ แว่นตาเหล่านี้ยังต้านทานการดูดซับพลังงานจลน์ เช่น ลูกบอลที่ทำจากวัสดุจะกระเด้งเป็นเวลานานอย่างประหลาด แก้วโลหะยังมีคุณสมบัติแม่เหล็กอ่อนที่ดีเยี่ยม ทำให้น่าดึงดูดใจสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง และสามารถผลิตได้ในรูปทรงที่ซับซ้อน เช่น พลาสติก

โลหะจำนวนมากจะกลายเป็นแก้วเท่านั้น (หากเป็นเช่นนั้น) ด้วยอัตราการทำความเย็นที่รวดเร็วอย่างน่าทึ่ง – พันล้านองศาต่อวินาทีหรือมากกว่านั้น ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงมักมองหาโลหะผสมที่เปลี่ยนผ่านได้ง่ายกว่า โดยทั่วไปโดยการลองผิดลองถูก อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา Ken Kelton จากมหาวิทยาลัยวอชิงตันในเมืองเซนต์หลุยส์ สหรัฐอเมริกาและเพื่อนร่วมงานแนะนำว่ามีความเป็นไปได้ที่จะคาดการณ์อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วโดยการวัดความหนืดเฉือนและการขยายตัวทางความร้อนของโลหะเหลว (แอ็คท่ามาแตร์. 172 1- เคลตันและทีมของเขาวิ่งเฉลี่ย โครงการวิจัยบนสถานีอวกาศนานาชาติเพื่อศึกษาอุณหภูมิที่โลหะกลายเป็นแก้วจริงๆ และพบว่ากระบวนการเปลี่ยนสถานะเริ่มต้นในขณะที่โลหะยังคงเป็นของเหลว ด้วยการวัดความหนืดของของเหลว นักวิจัยจึงสามารถระบุได้ว่าแก้วจะก่อตัวขึ้นหรือไม่ และจะมีคุณสมบัติบางอย่างอย่างไร หากการคาดการณ์กลายเป็นเรื่องธรรมดา แว่นตาโลหะในอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ก็ทำได้เช่นกัน ในความเป็นจริง บริษัทเทคโนโลยีของสหรัฐอเมริกา Apple ได้จดสิทธิบัตรการใช้กระจกโลหะบนฝาครอบสมาร์ทโฟนมานานแล้ว แต่ไม่เคยนำไปปฏิบัติจริง อาจเนื่องมาจากความยากลำบากในการหากระจกโลหะที่มีประสิทธิภาพในเชิงเศรษฐกิจ

อนาคตของวัสดุเปลี่ยนเฟส

คุณสมบัติทางกลของแก้วและคริสตัลอาจแตกต่างกัน แต่โดยปกติแล้วคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์จะค่อนข้างคล้ายกัน ตัวอย่างเช่น สำหรับสายตาที่ไม่ได้รับการฝึก แก้วซิลิกอนไดออกไซด์ปกติจะมีลักษณะเกือบจะเหมือนกับควอตซ์ซึ่งเป็นคู่ที่มีลักษณะเป็นผลึก แต่วัสดุบางชนิด โดยเฉพาะคาลโคเจนไนด์ ซึ่งรวมถึงธาตุจากกลุ่มออกซิเจนในตารางธาตุ มีคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัดในสถานะคล้ายแก้วและผลึก หากวัสดุเหล่านี้เป็นตัวสร้างแก้วที่ "ไม่ดี" (นั่นคือ ตกผลึกเมื่อได้รับความร้อนพอประมาณ) พวกมันจะทำหน้าที่เป็นวัสดุที่เรียกว่าเฟสเปลี่ยน

พวกเราส่วนใหญ่จะต้องจัดการกับวัสดุที่มีการเปลี่ยนเฟสในครั้งเดียวหรืออย่างอื่น: วัสดุเหล่านี้เป็นสื่อในการจัดเก็บข้อมูลของดีวีดีและออปติคัลดิสก์ที่เขียนซ้ำได้ ใส่สิ่งใดสิ่งหนึ่งลงในไดรฟ์ที่เหมาะสม จากนั้นเลเซอร์สามารถเปลี่ยนบิตใดๆ บนแผ่นดิสก์ระหว่างสถานะคล้ายแก้วและผลึก แทนเลขฐานสองหรือหนึ่ง ในปัจจุบัน ออปติคัลดิสก์ถูกแทนที่ด้วยหน่วยความจำ "แฟลช" แบบอิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งมีความหนาแน่นในการจัดเก็บข้อมูลมากกว่าและไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว บางครั้งแก้ว Chalcogenide ยังใช้ในวงจรออปติคอลโทนิครวมดังภาพนี้ วัสดุเปลี่ยนเฟสยังคงค้นหาแอปพลิเคชั่นในการจัดเก็บข้อมูลโดย บริษัทเทคโนโลยีของสหรัฐฯ Intel และ "Optane" ยี่ห้อหน่วยความจำที่เข้าถึงได้รวดเร็วแต่ไม่ลบเลือน (ไม่ถูกลบเมื่อปิดเครื่อง) อย่างไรก็ตามแอปพลิเคชันนี้ยังคงเป็นกลุ่มเฉพาะ

นักทฤษฎีโซลิดสเตตกล่าวว่าทำกำไรได้มากกว่า Matthias Wuttig จากมหาวิทยาลัย RWTH Aachen ประเทศเยอรมนีคือการถามว่าคุณสมบัติการเปลี่ยนเฟสมาจากไหน เมื่อสี่ปีที่แล้ว เขาและคนอื่นๆ เสนอพันธะเคมีรูปแบบใหม่ ซึ่งก็คือพันธะ "เมตาวาเลนต์" เพื่ออธิบายที่มาของพันธะเคมี จากข้อมูลของ Wuttig พันธะเมตาวาเลนต์ทำให้เกิดการแยกตัวของอิเล็กตรอนบางส่วน ดังเช่นในพันธะโลหะ แต่มีคุณลักษณะการแบ่งปันอิเล็กตรอนเพิ่มเติม ดังเช่นในพันธะโควาเลนต์ คุณสมบัติเฉพาะ รวมถึงการเปลี่ยนเฟส ผลลัพธ์ (โฆษณา มาเตอร์ 30 1803777- ไม่ใช่ทุกคนในสาขานี้ที่ต้องการเพิ่มความสัมพันธ์รูปแบบใหม่ให้กับหนังสือเรียน แต่วุฒิกเชื่อว่าข้อพิสูจน์จะอยู่ในพุดดิ้ง “คำถามตอนนี้คือ [พันธะเมทาวาเลนต์] มีพลังในการทำนายหรือไม่” เขากล่าว “และเรามั่นใจว่าเป็นเช่นนั้น”

แก้วที่คุณคาดหวังน้อยที่สุด

แฟน ๆ ของเทศกาลดนตรีจะรับรู้ถึงปรากฏการณ์นี้: คุณค่อยๆ พยายามออกจากการแสดงพร้อมกับคนอื่นๆ หลายพันคน ในทันใดนั้นฝูงชนก็หยุดลง และคุณไม่สามารถเคลื่อนไหวได้อีกต่อไป เช่นเดียวกับโมเลกุลที่ทำให้ซิลิกาหลอมเหลวเย็นลง การเคลื่อนไหวของคุณก็หยุดชะงัก คุณและผู้ร่วมงานเทศกาลก็กลายเป็นแก้ว หรือแก้วอะนาล็อกอย่างน้อยที่สุด

สิ่งที่คล้ายคลึงกันแบบแก้วอื่นๆ ได้แก่ อาณานิคมของมด เซลล์ชีวภาพที่ติดอยู่ระหว่างสไลด์ และคอลลอยด์ เช่น โฟมโกนหนวด (ดูภาพด้านบน) โดยเฉพาะอย่างยิ่งคอลลอยด์ที่มีอนุภาคขนาดจนถึงไมครอน เป็นระบบที่สะดวกสำหรับการทดสอบทฤษฎีการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว เนื่องจากสามารถมองเห็นไดนามิกของพวกมันได้จริงผ่านกล้องจุลทรรศน์ ที่น่าประหลาดใจยิ่งกว่านั้นคือการโจมตีของพฤติกรรมแก้วในอัลกอริธึมคอมพิวเตอร์บางตัว ตัวอย่างเช่น หากอัลกอริธึมได้รับการออกแบบมาเพื่อค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่ดีขึ้นเรื่อยๆ สำหรับปัญหาที่มีตัวแปรจำนวนมาก ก็อาจมีความซับซ้อนและหยุดชะงักลงก่อนที่จะพบวิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุด อย่างไรก็ตาม ด้วยการยืมวิธีการทางสถิติที่ออกแบบมาสำหรับการศึกษาขั้นพื้นฐานของแว่นตา อัลกอริธึมดังกล่าวสามารถปรับปรุงได้ และพบวิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่า