شیشے کے پانچ اسرار جن کی ہم ابھی تک وضاحت نہیں کر سکتے: دھاتی شیشوں سے لے کر غیر متوقع اینالاگ تک

بہتا ہوا افسانہ

قرون وسطی کے کسی بھی چرچ کی داغدار شیشے کی کھڑکیوں سے دیکھیں، اور آپ کو تقریباً یقینی طور پر ایک مسخ شدہ منظر نظر آئے گا۔ اس اثر نے طویل عرصے سے سائنس دانوں اور غیر سائنس دانوں کو یکساں طور پر اس بات پر شک کرنے پر مجبور کیا ہے کہ کافی وقت ملنے پر، شیشہ ایک غیر معمولی چپچپا مائع کی طرح بہتا ہے۔ لیکن کیا اس دعوے کی کوئی صداقت ہے؟

سوال اتنا سیدھا نہیں جتنا پہلے نظر آتا ہے۔ درحقیقت، کوئی بھی قطعی طور پر یہ نہیں کہہ سکتا کہ مائع کب مائع بننا چھوڑ دیتا ہے اور شیشہ بننا شروع کر دیتا ہے۔ روایتی طور پر، طبیعیات دان کہتے ہیں کہ مائع شیشہ بن جاتا ہے جب ایٹم میں نرمی ہوتی ہے - ایک ایٹم یا مالیکیول کا اپنے قطر کے ایک اہم حصے کو منتقل کرنے کا وقت - 100 سیکنڈ سے زیادہ ہوتا ہے۔ یہ آرام کی شرح تقریباً 10 ہے۔¹⁰ بہتے ہوئے شہد کے مقابلے میں کئی گنا سست، اور 10¹⁴ پانی کے مقابلے میں کئی گنا سست۔ لیکن اس حد کا انتخاب صوابدیدی ہے: یہ بنیادی طبیعیات میں کسی خاص تبدیلی کی عکاسی نہیں کرتا۔

اس کے باوجود، تمام انسانی مقاصد کے لیے 100 سیکنڈ کی نرمی یقینی ہے۔ اس شرح پر، عام سوڈا لائم گلاس کا ایک ٹکڑا آہستہ آہستہ بہنے اور زیادہ توانائی کے لحاظ سے سازگار کرسٹل لائن سلکان ڈائی آکسائیڈ میں تبدیل ہونے میں وقت لگے گا – بصورت دیگر کوارٹز کے نام سے جانا جاتا ہے۔ اگر قرون وسطی کے گرجا گھروں میں داغدار شیشے کو خراب کیا جاتا ہے، لہذا، یہ زیادہ امکان ہے کہ اصل شیشہ ساز (جدید معیار کے مطابق) ناقص تکنیک کا نتیجہ ہے۔ دوسری طرف، کسی نے بھی جانچنے کے لیے ہزار سالہ تجربہ نہیں کیا۔

"مثالی" شیشے کی تلاش میں

جیسے جیسے مائع ٹھنڈا ہوتا ہے، یہ یا تو شیشے میں سخت ہو سکتا ہے، یا کرسٹلائز کر سکتا ہے۔ تاہم، وہ درجہ حرارت جس پر مائع شیشے میں منتقل ہوتا ہے مقرر نہیں ہے۔ اگر کسی مائع کو اتنی آہستگی سے ٹھنڈا کیا جا سکتا ہے کہ اس سے کرسٹل نہیں بنتا ہے، تو مائع بالآخر کم درجہ حرارت پر شیشے میں منتقل ہو جائے گا، اور اس کے نتیجے میں ایک گھنا بن جائے گا۔ دی امریکی کیمیا دان والٹر کاؤزمین اس حقیقت کو 1940 کی دہائی کے اواخر میں نوٹ کیا، اور اس کا استعمال اس درجہ حرارت کا اندازہ لگانے کے لیے کیا جس پر اگر کوئی مائع "توازن میں" ٹھنڈا کیا جائے تو شیشہ بنتا ہے - یعنی لامحدود آہستہ آہستہ۔ نتیجتاً "مثالی شیشہ"، متضاد طور پر، ایک کرسٹل کی طرح ایک ہی اینٹروپی رکھتا ہے، باوجود اس کے کہ وہ بے ترتیب، یا بے ترتیب ہے۔ بنیادی طور پر، ایک مثالی شیشہ وہ ہوتا ہے جہاں مالیکیولز کو سب سے گھنے ممکنہ بے ترتیب ترتیب میں اکٹھا کیا جاتا ہے۔

2014 میں طبیعیات دانوں سمیت اٹلی میں سیپینزا یونیورسٹی آف روم کے جیورجیو پیریسی (جس نے 2021 کا نوبل انعام برائے طبیعیات شیئر کیا، "جسمانی نظاموں میں خرابی اور اتار چڑھاؤ کے باہمی تعامل" پر اپنے کام کے لیے۔) نے لامحدود مقامی طول و عرض کی (ریاضی کے لحاظ سے آسان) حد میں ایک مثالی شیشے کی تشکیل کے لیے ایک عین مطابق مرحلے کا خاکہ تیار کیا۔ عام طور پر، کثافت مختلف حالتوں میں فرق کرنے کے لیے آرڈر پیرامیٹر ہو سکتی ہے، لیکن شیشے اور مائع کی صورت میں، کثافت تقریباً ایک جیسی ہوتی ہے۔ اس کے بجائے، محققین کو ایک "اوورلیپ" فنکشن کا سہارا لینا پڑا، جو ایک ہی درجہ حرارت پر مختلف ممکنہ بے ساختہ ترتیبوں میں مالیکیولز کی پوزیشنوں میں مماثلت کو بیان کرتا ہے۔ انہوں نے پایا کہ جب درجہ حرارت کاؤزمان درجہ حرارت سے کم ہوتا ہے، تو نظام اعلی اوورلیپ کے ساتھ ایک الگ حالت میں گرنے کا خطرہ رکھتا ہے: شیشے کا مرحلہ۔

تین جہتوں میں، یا درحقیقت طول و عرض کی کسی بھی چھوٹی محدود تعداد میں، شیشے کی منتقلی کا نظریہ کم یقینی ہے۔ کچھ نظریہ دانوں نے شیشے کے مثالی تصور کا استعمال کرتے ہوئے اسے تھرموڈینامیکل طور پر بیان کرنے کی کوشش کی ہے۔ دوسروں کا خیال ہے کہ یہ ایک "متحرک" عمل ہے جس میں، آہستہ آہستہ کم درجہ حرارت پر، مالیکیولز کی زیادہ سے زیادہ جیبیں گرفتار ہو جاتی ہیں، جب تک کہ سارا بلک زیادہ شیشہ نہ بن جائے۔ ایک طویل عرصے سے دونوں کیمپوں کے حامی آپس میں دست و گریباں ہیں۔ پچھلے دو سالوں میں، تاہم، کنڈینسڈ میٹر تھیوریسٹ پیڈی رائل فرانس میں ای ایس پی سی آئی پیرس میں اور ساتھیوں نے دعویٰ کیا ہے کہ انہوں نے دکھایا ہے کہ کس طرح دونوں طریقوں کو بڑے پیمانے پر ملایا جا سکتا ہے (جے کیم طبیعات 153 090901)۔ وہ کہتے ہیں، "ہم نے 20 سال پہلے جو مزاحمت دیکھی تھی، وہ ختم ہو چکی ہے۔"

ایک بہتر شیشے کے دو راستے

شیشے کی خصوصیات کو تبدیل کرنے کے لیے، آپ کے پاس دو بنیادی اختیارات ہیں: اس کی ساخت کو تبدیل کریں، یا اس پر عملدرآمد کرنے کے طریقے کو تبدیل کریں۔ مثال کے طور پر، عام سوڈا اور چونے کے بجائے بوروسیلیکیٹ کا استعمال شیشے کو گرم ہونے پر دباؤ کا کم خطرہ بناتا ہے، یہی وجہ ہے کہ بوروسیلیکیٹ گلاس اکثر بیک ویئر کے لیے خالص سوڈا لائم کی جگہ استعمال کیا جاتا ہے۔ شیشے کو اور زیادہ مضبوط بنانے کے لیے، اس کی بیرونی سطح کو "ٹیمپرنگ" کے عمل میں اس کے بڑے حصے سے زیادہ تیزی سے ٹھنڈا کیا جا سکتا ہے، جیسا کہ کارننگ کے اصل Pyrex میں ہوتا ہے۔

کارننگ کی ایک اور اختراع، اسمارٹ فونز کے لیے گوریلا گلاس، اپنی مضبوط، خروںچ سے مزاحم خصوصیات کو حاصل کرنے کے لیے کمپوزیشن اور پروسیسنگ کا زیادہ پیچیدہ نسخہ رکھتی ہے۔ دل میں ایک الکلی-ایلومینوسیلیٹ مواد، یہ ایک خاص تیز بجھنے والے "فیوژن ڈرا" کے عمل میں شیٹ کے وسط میں تیار کیا جاتا ہے، اضافی کیمیائی مضبوطی کے لیے پگھلے ہوئے نمک کے محلول میں ڈبونے سے پہلے۔

عام طور پر، شیشہ جتنا گھنا ہوتا ہے، اتنا ہی مضبوط ہوتا ہے۔ حالیہ برسوں میں، محققین نے دریافت کیا ہے کہ جسمانی بخارات کے جمع ہونے سے بہت گھنے شیشے کی تخلیق کی جا سکتی ہے، جس میں بخارات کا مواد خلا میں کسی سطح پر گاڑھا ہوتا ہے۔ یہ عمل انووں کو ایک وقت میں اپنی سب سے موثر پیکنگ تلاش کرنے کی اجازت دیتا ہے، جیسے Tetris کے کھیل۔

دھاتی پر عبور حاصل کرنا

1960 میں پول ڈوویزکیلی فورنیا، یو ایس میں کالٹیک میں کام کرنے والے بیلجیئم کے کنڈینسڈ مادّے کے ماہر طبیعیات پگھلی ہوئی دھاتوں کو ٹھنڈے رولرس کے ایک جوڑے کے درمیان تیزی سے ٹھنڈا کر رہے تھے – ایک تکنیک جسے سپلٹ بجھانے کے نام سے جانا جاتا ہے – جب اس نے دریافت کیا کہ ٹھوس دھاتیں شیشے والی ہو گئی ہیں۔ اس کے بعد سے، دھاتی شیشوں نے مادّی سائنسدانوں کو متاثر کیا ہے، جزوی طور پر اس لیے کہ وہ بنانا بہت مشکل ہیں اور جزوی طور پر ان کی غیر معمولی خصوصیات کی وجہ سے۔

عام کرسٹل دھاتوں میں موروثی اناج کی حدود میں سے کسی کے ساتھ، دھاتی شیشے آسانی سے نہیں پہنتے ہیں یہی وجہ ہے کہ NASA نے انہیں چکنا کرنے والے سے پاک گیئر باکسز میں استعمال کرنے کے لیے آزمایا ہے، جو یہاں اپنے خلائی روبوٹ میں دیکھا گیا ہے۔ یہ شیشے حرکی توانائی کے جذب کے خلاف بھی مزاحمت کرتے ہیں - مثال کے طور پر، مادے سے بنی گیند ایک عجیب و غریب لمبے عرصے تک اچھالتی رہے گی۔ دھاتی شیشوں میں بھی بہترین نرم مقناطیسی خصوصیات ہیں، جو انہیں انتہائی موثر ٹرانسفارمرز کے لیے پرکشش بناتے ہیں، اور پلاسٹک کی طرح پیچیدہ شکلوں میں تیار کیے جا سکتے ہیں۔

بہت سی دھاتیں صرف شیشے والی ہو جائیں گی (اگر وہ بالکل بھی ایسا کریں تو) دم توڑنے والی تیز ٹھنڈک کی شرحوں پر - اربوں ڈگری فی سیکنڈ یا اس سے زیادہ۔ اس وجہ سے، محققین عام طور پر ایسے مرکب ڈھونڈتے ہیں جو زیادہ آسانی سے منتقل ہوتے ہیں، عام طور پر آزمائش اور غلطی سے۔ تاہم گزشتہ چند سالوں میں، سینٹ لوئس میں واشنگٹن یونیورسٹی میں کین کیلٹن، US، اور ساتھیوں نے تجویز کیا ہے کہ شیئر وسکاسیٹی اور مائع دھات کی تھرمل توسیع (ایکٹا میٹر۔ 172 1)۔ کیلٹن اور ان کی ٹیم نے دوڑ لگا دی۔ بین الاقوامی خلائی اسٹیشن پر تحقیقی منصوبہ، اس درجہ حرارت کا مطالعہ کرنے کے لیے جس پر دھات درحقیقت شیشہ بن جاتی ہے، اور پتہ چلا کہ منتقلی کا عمل اس وقت شروع ہوتا ہے جب دھات ابھی بھی مائع ہے۔ یہ پیمائش کرکے کہ مائع کتنا چپچپا ہے محققین اب اس بات کا تعین کرسکتے ہیں کہ آیا شیشہ بنے گا، اور اس کی کچھ خصوصیات کیا ہوں گی۔ اگر پیشن گوئی عام ہو جائے تو تجارتی آلات میں دھاتی شیشے بھی لگ سکتے ہیں۔ درحقیقت، امریکی ٹیک کمپنی ایپل کے پاس اسمارٹ فون کے کور پر دھاتی شیشے کے استعمال کے لیے ایک طویل عرصے سے پیٹنٹ موجود ہے، لیکن اس نے اسے کبھی عملی جامہ نہیں پہنایا - شاید اس وجہ سے کہ دھاتی شیشے کو تلاش کرنے میں مشکل ہو جو اقتصادی طور پر قابل عمل ہو۔

فیز چینج مواد کا مستقبل

شیشے اور کرسٹل کی مکینیکل خصوصیات مختلف ہو سکتی ہیں، لیکن عام طور پر ان کی نظری اور الیکٹرانک خصوصیات کافی حد تک ایک جیسی ہوتی ہیں۔ غیر تربیت یافتہ آنکھ کو، مثال کے طور پر، عام سیلیکون ڈائی آکسائیڈ گلاس تقریباً کوارٹج جیسا ہی لگتا ہے، جو اس کا کرسٹل لائن ہے۔ لیکن کچھ مواد - خاص طور پر چالکوجنائڈز، جن میں متواتر جدول کے آکسیجن گروپ کے عناصر شامل ہیں - میں آپٹیکل اور الیکٹرانک خصوصیات ہیں جو اپنی شیشے والی اور کرسٹل حالتوں میں واضح طور پر مختلف ہیں۔ اگر یہ مواد بھی "خراب" شیشے کے فارمرز ہوتے ہیں (یعنی معمولی طور پر گرم ہونے پر کرسٹلائز ہوتے ہیں) تو یہ نام نہاد فیز چینج میٹریل کے طور پر کام کرتے ہیں۔

ہم میں سے زیادہ تر لوگوں نے کسی نہ کسی وقت فیز چینج مواد کو ہینڈل کیا ہو گا: وہ ری رائٹ ایبل ڈی وی ڈیز اور دیگر آپٹیکل ڈسکس کا ڈیٹا اسٹوریج میڈیم ہیں۔ ان میں سے کسی ایک کو ایک مناسب ڈرائیو میں داخل کریں، اور لیزر گلاسی اور کرسٹل لائن کے درمیان ڈسک پر کسی بھی بٹ کو تبدیل کر سکتا ہے، جو بائنری صفر یا ایک کی نمائندگی کرتا ہے۔ آج، آپٹیکل ڈسکس کو بڑی حد تک الیکٹرانک "فلیش" میموری کے ذریعے تبدیل کیا گیا ہے، جس میں ذخیرہ کرنے کی کثافت زیادہ ہے اور کوئی حرکت پذیر پرزہ نہیں ہے۔ Chalcogenide گلاس کبھی کبھی فوٹوونک انٹیگریٹڈ آپٹیکل سرکٹس میں بھی استعمال ہوتا ہے، جیسا کہ یہاں تصویر ہے۔ فیز چینج مواد نے ڈیٹا اسٹوریج میں ایپلی کیشنز تلاش کرنا جاری رکھا ہے۔ امریکی ٹیک کمپنی انٹیل، اور اس کا "آپٹین" میموری کا برانڈ، جس تک رسائی کے لیے تیز ہے پھر بھی غیر اتار چڑھاؤ والا (پاور بند ہونے پر اسے مٹایا نہیں جاتا)۔ تاہم، یہ ایپلیکیشن خاصی برقرار ہے۔

ٹھوس ریاست کے تھیوریسٹ کا کہنا ہے کہ زیادہ منافع بخش RWTH آچن یونیورسٹی، جرمنی میں Matthias Wuttig، یہ پوچھنا ہے کہ فیز چینج پراپرٹی کہاں سے آتی ہے۔ چار سال پہلے، اس نے اور دوسروں نے اس کی اصلیت کی وضاحت کے لیے ایک نئی قسم کی کیمیکل بانڈنگ، "میٹا ویلنٹ" بانڈنگ تجویز کی۔ Wuttig کے مطابق، metavalent بانڈنگ کچھ الیکٹران ڈی لوکلائزیشن فراہم کرتی ہے، جیسا کہ دھاتی بانڈنگ میں، لیکن ایک اضافی الیکٹران شیئرنگ کردار کے ساتھ، جیسا کہ covalent بانڈنگ میں۔ منفرد خصوصیات، بشمول مرحلے میں تبدیلی، نتیجہ (Adv. میٹر 30 1803777)۔ میدان میں موجود ہر شخص نصابی کتب میں ایک نئی قسم کا بندھن شامل نہیں کرنا چاہتا، لیکن Wuttig کا خیال ہے کہ اس کا ثبوت پڈنگ میں ہوگا۔ "اب سوال یہ ہے کہ آیا [میٹا ویلنٹ بانڈنگ] میں پیشین گوئی کی طاقت ہے،" وہ کہتے ہیں۔ "اور ہمیں یقین ہے کہ اس کے پاس ہے۔"

گلاس جہاں آپ کم از کم اس کی توقع کرتے ہیں۔

میوزک فیسٹیولز کے شائقین اس رجحان کو پہچانیں گے: آپ آہستہ آہستہ ہزاروں دوسرے لوگوں کے ساتھ ایک پرفارمنس چھوڑنے کی کوشش کر رہے ہیں، جب اچانک ہجوم رک جاتا ہے، اور آپ مزید حرکت نہیں کر سکتے۔ پگھلے ہوئے سلیکا کو ٹھنڈا کرنے والے مالیکیول کی طرح، آپ کی حرکت اچانک بند ہو جاتی ہے – آپ اور آپ کے ساتھی میلے میں جانے والے شیشے میں تبدیل ہو گئے ہیں۔ یا کم از کم شیشے کا ینالاگ۔

شیشے کے دیگر اینالاگوں میں چیونٹی کالونیاں، سلائیڈز کے درمیان پھنسے ہوئے حیاتیاتی خلیے، اور کولائیڈز، جیسے مونڈنے والی جھاگ (اوپر تصویر دیکھیں) شامل ہیں۔ خاص طور پر کولائیڈز، جس کے ذرات مائکرون تک ہوتے ہیں، شیشے کی منتقلی کے نظریات کی جانچ کے لیے آسان نظام ہیں، کیونکہ ان کی حرکیات کو دراصل ایک خوردبین کے ذریعے دیکھا جا سکتا ہے۔ اس سے بھی زیادہ حیران کن، اگرچہ، بعض کمپیوٹر الگورتھم میں شیشے کے رویے کا آغاز ہے۔ مثال کے طور پر، اگر ایک الگورتھم کو متغیرات کی ایک بڑی تعداد کے ساتھ کسی مسئلے کا بتدریج بہتر حل تلاش کرنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے تو یہ پیچیدگی سے مغلوب ہو سکتا ہے اور بہترین حل تلاش کرنے سے پہلے ہی رک سکتا ہے۔ چشموں کے بنیادی مطالعہ کے لیے بنائے گئے شماریاتی طریقوں سے قرض لے کر، تاہم، ایسے الگورتھم کو بہتر بنایا جا سکتا ہے، اور بہتر حل تلاش کیے جا سکتے ہیں۔