Hala açıklayamadığımız beş camsı gizem: metalik camlardan beklenmedik analoglara

akan efsane

Herhangi bir ortaçağ kilisesinin vitray pencerelerinden bakın ve neredeyse kesinlikle çarpık bir manzara göreceksiniz. Etki uzun zamandır bilim insanlarını ve bilim adamı olmayanları, yeterli zaman verildiğinde camın son derece viskoz bir sıvı gibi aktığından şüphelenmeye yöneltti. Ama bu iddianın bir geçerliliği var mı?

Soru, ilk bakışta göründüğü kadar basit değil. Gerçekte, hiç kimse bir sıvının ne zaman sıvı olmayı bırakıp cam olmaya başladığını kesin olarak söyleyemez. Geleneksel olarak fizikçiler, atomik gevşeme (bir atomun veya molekülün çapının önemli bir bölümünü hareket ettirme süresi) 100 saniyeden uzun olduğunda bir sıvının cam haline geldiğini söylerler. Bu gevşeme oranı yaklaşık 10¹⁰ akan baldan kat daha yavaş ve 10¹⁴ sudakinden kat daha yavaştır. Ancak bu eşiğin seçimi keyfidir: temel fizikte belirgin bir değişikliği yansıtmaz.

Öyle olsa bile, 100 saniyelik bir rahatlama tüm insani amaçlar için kesindir. Bu hızda, sıradan bir soda-kireç camı parçasının yavaşça akması ve enerji açısından daha uygun kristal silikon dioksite (diğer adıyla kuvars) dönüşmesi çok uzun zaman alacaktır. Ortaçağ kiliselerindeki vitraylar çarpıksa, bu büyük olasılıkla orijinal cam üreticisinin (modern standartlara göre) zayıf tekniğinin bir sonucudur. Öte yandan kimse bunu kontrol etmek için bin yıllık bir deney yapmadı.

“İdeal” cam arayışı içinde

Bir sıvı soğudukça ya bir bardakta sertleşebilir ya da kristalleşebilir. Ancak bir sıvının bardağa geçtiği sıcaklık sabit değildir. Bir sıvı kristal oluşturmayacak kadar yavaş soğutulabiliyorsa, sıvı nihayetinde daha düşük sıcaklıkta bir bardağa geçecek ve sonuç olarak daha yoğun bir cam oluşturacaktır. bu ABD'li kimyager Walter Kauzmann 1940'ların sonlarında bu gerçeği kaydetti ve bir sıvının "dengede", yani sonsuz yavaş soğutulması durumunda bir camın oluşacağı sıcaklığı tahmin etmek için kullandı. Sonuçta ortaya çıkan "ideal cam", paradoksal olarak, hala amorf veya düzensiz olmasına rağmen, bir kristal ile aynı entropiye sahip olacaktır. Esasen ideal bir cam, moleküllerin mümkün olan en yoğun rastgele düzende bir araya getirildiği yerdir.

2014 yılında fizikçiler dahil İtalya'daki Roma Sapienza Üniversitesi'nden Giorgio Parisi ("fiziksel sistemlerde düzensizlik ve dalgalanmaların etkileşimi" üzerine yaptığı çalışma nedeniyle 2021 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştı.) sonsuz uzaysal boyutların (matematiksel olarak daha kolay) sınırında ideal bir camın oluşumu için tam bir faz diyagramı geliştirdi. Genellikle yoğunluk, farklı durumları ayırt etmek için bir sıra parametresi olabilir, ancak cam ve sıvı durumunda yoğunluk kabaca aynıdır. Bunun yerine, araştırmacılar, aynı sıcaklıkta, farklı olası amorf konfigürasyonlardaki moleküllerin konumlarındaki benzerliği tanımlayan bir "örtüşme" işlevine başvurmak zorunda kaldılar. Sıcaklık Kauzmann sıcaklığından daha düşük olduğunda, sistemin yüksek bir örtüşme ile ayrı bir duruma düşmeye meyilli olduğunu buldular: bir cam faz.

Üç boyutta veya gerçekten de herhangi bir küçük sonlu sayıda boyutta, cam geçiş teorisi daha az kesindir. Bazı teorisyenler, yine ideal cam kavramını kullanarak bunu termodinamik olarak tanımlamaya çalışmışlardır. Diğerleri, bunun, giderek daha düşük sıcaklıklarda, tüm kütle cam haline gelene kadar giderek daha fazla molekül cebinin tutuklandığı “dinamik” bir süreç olduğuna inanıyor. Uzun bir süredir, iki kampın savunucuları arasında anlaşmazlık var. Bununla birlikte, son birkaç yılda, yoğun madde teorisyeni çeltik kraliyet Fransa'daki ESPCI Paris'te ve meslektaşları, iki yaklaşımın nasıl büyük ölçüde uzlaştırılabileceğini gösterdiklerini iddia ediyorlar (J. Chem. Fizik 153 090901). “20 yıl önce gördüğümüz [anlaşmaya] direnişin çoğu kaybedildi” diyor.

Daha iyi bir bardağa giden iki yol

Camın özelliklerini değiştirmek için iki temel seçeneğiniz vardır: bileşimini değiştirin veya işlenme şeklini değiştirin. Örneğin, yaygın soda ve kireç yerine borosilikat kullanmak, ısıtıldığında camı daha az strese maruz bırakır, bu nedenle borosilikat cam, fırıncılık için saf sodalime yerine sıklıkla kullanılır. Camı daha da sağlam kılmak için, Corning'in orijinal Pyrex'inde olduğu gibi, bir "tavlama" işlemiyle dış yüzeyi, kütlesinden daha hızlı soğutulabilir.

Corning'in bir diğer yeniliği olan akıllı telefonlar için Gorilla Glass, güçlü, çizilmeye karşı dayanıklı özelliklerini elde etmek için daha karmaşık bir bileşim ve işleme formülüne sahiptir. Kalbinde bir alkali-alüminosilikat malzeme, ek kimyasal güçlendirme için erimiş bir tuz çözeltisine daldırılmadan önce, özel bir hızlı söndürülmüş "füzyon çekme" işlemiyle havada bir tabaka halinde üretilir.

Tipik olarak, bir cam ne kadar yoğunsa, o kadar güçlüdür. Son yıllarda araştırmacılar, buharlaştırılmış bir malzemenin bir vakumda bir yüzey üzerinde yoğunlaştırılmasıyla fiziksel buhar biriktirme yoluyla çok yoğun cam oluşturulabileceğini keşfettiler. Süreç, moleküllerin bir Tetris oyunu gibi, her seferinde bir tane olmak üzere en verimli paketlemelerini bulmalarını sağlar.

Metalikte ustalaşmak

1960 içinde Pol DuwezABD, California'daki Caltech'te çalışan Belçikalı bir yoğun madde fizikçisi, katılaşmış metallerin camsı hale geldiğini keşfettiğinde, erimiş metalleri bir çift soğutulmuş silindir arasında - sıçratmayla söndürme olarak bilinen bir teknik - hızla soğutuyordu. O zamandan beri, metalik camlar, kısmen yapmaları çok zor olduğu ve kısmen de olağandışı özellikleri nedeniyle, malzeme bilimcilerini büyüledi.

Sıradan kristal metallerde bulunan tane sınırlarının hiçbiri olmadığından, metalik camlar kolayca aşınmaz; bu nedenle NASA, burada uzay robotlarında görülen yağlayıcı içermeyen dişli kutularında kullanım için test etmiştir. Bu camlar aynı zamanda kinetik enerjinin emilmesine de direnir - örneğin, malzemeden yapılmış bir top garip bir şekilde uzun bir süre sekecektir. Metalik camlar ayrıca mükemmel yumuşak manyetik özelliklere sahiptir, bu da onları yüksek verimli transformatörler için çekici kılar ve plastik gibi karmaşık şekillerde üretilebilir.

Pek çok metal, yalnızca nefes kesen hızlı soğutma hızlarında (saniyede milyarlarca derece veya daha fazla) camsı hale gelir (eğer böyle olurlarsa). Bu nedenle, araştırmacılar genellikle, genellikle deneme yanılma yoluyla daha kolay geçiş yapan alaşımlar ararlar. Ancak son birkaç yılda, Louis'deki Washington Üniversitesi'nden Ken Kelton, US ve meslektaşları, bir sıvı metalin kayma viskozitesini ve termal genleşmesini ölçerek olası cam geçiş sıcaklığını tahmin etmenin mümkün olduğunu öne sürdüler (Aç Mater. 172 1). Kelton ve ekibi bir Uluslararası Uzay İstasyonu ile ilgili araştırma projesi, bir metalin gerçekte camsı hale geldiği sıcaklığı incelemek ve geçiş sürecinin metal hala sıvı iken başladığını bulmak için. Araştırmacılar, sıvının ne kadar viskoz olduğunu ölçerek artık bir camın oluşup oluşmayacağını ve bazı özelliklerinin ne olacağını belirleyebilirler. Tahmin yaygınlaşırsa, ticari cihazlarda metalik camlar da yaygınlaşabilir. Aslında, ABD'li teknoloji şirketi Apple, uzun süredir akıllı telefon kapaklarında metalik cam kullanımı için bir patente sahipti, ancak bunu hiçbir zaman uygulamaya koymadı - belki de ekonomik olarak uygun bir metalik cam bulmanın zorluğundan dolayı.

Faz değiştiren malzemelerin geleceği

Camların ve kristallerin mekanik özellikleri farklı olabilir, ancak genellikle optik ve elektronik özellikleri oldukça benzerdir. Örneğin, eğitimsiz bir göz için normal silikon dioksit cam, kristalin karşılığı olan kuvars ile neredeyse aynı görünür. Ancak bazı materyaller – özellikle periyodik tablonun oksijen grubundan elementleri içeren kalkojenitler – camsı ve kristal hallerinde belirgin şekilde farklı olan optik ve elektronik özelliklere sahiptir. Bu malzemeler aynı zamanda "kötü" cam oluşturucularsa (yani, orta derecede ısıtıldıklarında kristalleşirlerse), o zaman faz değiştiren malzemeler olarak işlev görürler.

Çoğumuz şu veya bu zamanda faz değiştiren materyallerle uğraşmış olacağız: bunlar, yeniden yazılabilir DVD'lerin ve diğer optik disklerin veri depolama ortamıdır. Bunlardan birini uygun bir sürücüye takın ve bir lazer, ikili sıfır veya bir temsil eden camsı ve kristal durum arasında disk üzerindeki herhangi bir biti değiştirebilir. Bugün, optik disklerin yerini büyük ölçüde daha büyük bir depolama yoğunluğuna sahip ve hareketli parçası olmayan elektronik "flaş" bellek almıştır. Kalkojenit cam, burada gösterildiği gibi bazen fotonik entegre optik devrelerde de kullanılır. Faz değişim malzemeleri, veri depolamada uygulamalar bulmaya devam etti. ABD teknoloji şirketi Intel ve "Optane" hızlı erişilebilen ancak kalıcı olmayan bellek markası (güç kapatıldığında silinmez). Ancak bu uygulama niş kalır.

Katı hal teorisyeni, daha karlı diyor Matthias Wuttig, RWTH Aachen Üniversitesi, Almanya, faz değiştirme özelliğinin nereden geldiğini sormaktır. Dört yıl önce, o ve diğerleri, kökenini açıklamak için yeni bir tür kimyasal bağ, “metavalent” bağ önerdiler. Wuttig'e göre, metavalent bağ, metalik bağda olduğu gibi bir miktar elektron delokalizasyonu sağlar, ancak kovalent bağda olduğu gibi ek bir elektron paylaşım karakteri ile. Faz değiştirme dahil benzersiz özellikler, sonuç (Gelişmiş. Mater. 30 1803777). Alandaki herkes ders kitaplarına yeni bir bağ türü eklemek istemez, ancak Wuttig kanıtın pudingde olacağına inanıyor. “Şimdi soru, [metavalent bağın] öngörücü güce sahip olup olmadığı” diyor. "Ve olduğuna ikna olduk."

En az beklediğiniz yerde cam

Müzik festivallerinin hayranları bu fenomeni tanıyacaktır: Birdenbire kalabalık durduğunda ve artık hareket edemediğinizde, binlerce insanla birlikte yavaş yavaş bir performans bırakmaya çalışıyorsunuz. Erimiş silikayı soğutan bir molekül gibi, hareketiniz aniden durdurulur - siz ve festivale katılan arkadaşlarınız bir bardağa dönüştünüz. Veya en azından bir cam analogu.

Diğer cam analogları arasında karınca kolonileri, slaytlar arasında sıkışmış biyolojik hücreler ve tıraş köpüğü gibi kolloidler bulunur (yukarıdaki resme bakın). Özellikle mikron boyutuna kadar değişen partiküllere sahip kolloidler, dinamikleri bir mikroskopta görülebildiğinden, cam geçiş teorilerini test etmek için uygun sistemlerdir. Daha da şaşırtıcı olanı, belirli bilgisayar algoritmalarında cam davranışının başlamasıdır. Örneğin, bir algoritma çok sayıda değişkenli bir probleme aşamalı olarak daha iyi çözümler aramak için tasarlanmışsa, karmaşıklık altında ezilebilir ve optimal çözüm bulunmadan önce durma noktasına gelebilir. Bununla birlikte, gözlüklerin temel çalışması için tasarlanmış istatistiksel yöntemler ödünç alınarak, bu tür algoritmalar geliştirilebilir ve daha iyi çözümler bulunabilir.