«Идеальное стекло», которое ведет себя как кристалл, все-таки возможно

Физики из США утверждают, что создали симуляцию, которая впервые демонстрирует возможность существования «идеального стекла», разрешая парадокс, существовавший десятилетиями.

В некотором смысле, тип стакана, из которого вы пьете ледяную воду, имеет больше общего с жидкостью, чем плавающие в нем замороженные кристаллы. Его молекулы перемешаны, как молекулы жидкости: это случайная структура, возникшая в результате одного из бесчисленных возможных расположений.

Идеальное стекло — другое дело. У того, что казалось бы беспорядочным беспорядком молекул, не было бы других вариантов — или, как это известно в физике, минимальная энтропия.

Этот тип стекла впервые обсуждался в 1948 году химиком Уолтером Каузманном, который предположил, что, поскольку энтропия падает по мере того, как жидкости охлаждаются и образуют стекло, может быть достаточно низкая температура, чтобы полностью его устранить. Это по-прежнему было бы случайное расположение, но оно было бы упаковано настолько точно, что его нельзя было бы переконфигурировать каким-либо другим способом.

В последующие десятилетия возможность создания такого парадоксально упорядоченного стекла широко обсуждалась.

В новом исследовании физик из Университета Орегона Виола Болтон-Лум и его коллеги использовали компьютерные модели, чтобы показать, что идеальное стекло возможно в 2D – стекло с частицами, которые имеют аморфное расположение, но также являются высокоупорядоченными. и однороден, поэтому ведет себя как идеальный кристалл.

«Помимо решения давней загадки, эта методология представляет собой ценный путь к созданию хорошо уравновешенных стеклообразных систем», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.

«Создание такой идеальной упаковки делает возможным полное исследование и объяснение двумерных заклиненных и стеклообразных систем».

Было ясно, что обычное охлаждение не поможет достичь идеального состояния стекла — для этого потребуется бесконечное количество времени. время. Для своих моделей они ввели своего рода чит-код, который позволяет изменять размер частиц стекла по мере их упаковки.

Эта дополнительная степень гибкости имеет решающее значение, позволяя получить стекло, которое выглядит аморфным, но проявляет кристаллические свойства. В частности, полученное стекло гораздо более прочное и стабильное, чем обычное: каждая частица имеет в среднем шесть точек контакта с соседом для дополнительной поддержки.

«Мы думаем, что нашли решение, показав, что такое состояние вовсе не является парадоксом», — рассказал Ингрид Фаделли на Phys.org физик Эрик Корвин из Университета Орегона. «Действительно, мы можем его построить».

Одно из отличий стекла от обычного стекла заключается в том, как оно будет реагировать на удар. Вместо того, чтобы вызывать беспорядочные, беспорядочные вибрации обычного стекла, идеальное стекло будет вибрировать с идеальной однородностью — например, как алмаз.

В новом материале также будет то, что называется сверходнородностью. При внимательном рассмотрении вы не увидите никаких слипаний частиц или пустых промежутков: каждая частица занимает ровно столько места, сколько нужно.

Важно помнить, что это исследование носит теоретический характер: никто еще не изготовил идеальное стекло в лаборатории. Фактически, исследователи признают, что стандартных процессов нагревания и охлаждения будет недостаточно для создания этого стекла – необходимо будет найти новые подходы, прежде чем его можно будет производить.

Однако работа показывает, что идеальное стекло не является чем-то невозможным, и – учитывая его особые свойства – оно, вероятно, подойдет для многих различных целей. Каковы могут быть эти цели, трудно сказать, учитывая, что создание этого материала еще только начинается.

Исследователям предстоит многое изучить в отношении идеального стекла и его разработки, в частности, как чит-код, используемый в симуляциях, может быть воспроизведен в реальных физических производственных процессах. Учитывая достижения в области материаловедения, есть основания полагать, что однажды идеальное стекло может существовать.

По теме: Этот невероятный новый биопластик может стать суперматериалом завтрашнего дня

«Для практического создания таких упаковок потребуются новые подходы, поскольку они недоступны с помощью обычных термических или механических процессов», — пишут исследователи.

«Чтобы создать такие системы на практике, необходимо разработать физическую реализацию нашего алгоритма».

исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.