Если стекло не твердое или жидкое, то что это? Фото пользователя Flickr -Kenzie-
Стакан мерло может заставить мир выглядеть радужным, но это также может стать источником разочарования для физика. Вино наливает, брызгает и кружит, но бокал остается твердым как твердый сосуд. Нажмите на мерло, и вы увидите, что молекулы держатся близко друг к другу, но движутся без фиксированного положения. Нажмите на бокал, и вы также увидите это беспорядочное расположение, но без движения.
На атомном уровне две формы материи выглядят одинаково. Несмотря на то, что стекло замерзло, ему не хватает жесткой кристаллической структуры, например, в кубиках льда.
Ученые, изучающие стекло, наблюдали искаженные версии икосаэдров (икосаэдр слева, искаженный вариант справа). Изображение через науку / Чен и Котани
Хотя ремесленники изготавливали стекло на протяжении тысячелетий, а ученые изучали его структуру десятилетиями, до сих пор не было четких экспериментальных данных, подтверждающих, что препятствует кристаллизации жидкостей, образующих стекла. В новой статье, опубликованной в сети Science, группа японских исследователей использовала мощный электронный дифракционный микроскоп. смотреть на стекло в самых маленьких масштабах еще. При таком высоком разрешении они видели то, что выглядит как базовая единица некоторых очков-атомов, упакованных в искаженную версию икосаэдра, трехмерной формы с 20 гранями.
Используя сложные геометрические инструменты, команда охарактеризовала эти искажения, сообщив в статье, что они позволяют системе «сохранять плотную атомную упаковку и низкоэнергетическое состояние». Определенные расположения атомов, заключают исследователи, являются самой сущностью стеклообразности, потому что они мешать развитию хорошо организованный кристалл.
Многочисленные изображения микроскопических изображений атомов внутри стекла (справа) позволили исследователям изобразить уровень искажения конкретных икосаэдров, которые организовали атомы (слева). Изображение через науку / Чен и Котани
Хотя исследователи изучали стекло, изготовленное из циркония и платины, а не обычную оконную панель, результаты могут быть более точными для очков. Понимая способы организации атомов, ученые-материалисты могут найти способы изготовления новых очков и манипулировать теми, которые у них есть.
Но стекло далеко не разобрано. В то время как исследование объясняет, почему некоторые жидкости образуют стекла вместо кристаллизации это не объясняет, почему эти жидкости могут становиться достаточно вялыми, чтобы быть твердыми, говорит химик из Университета Дьюка Патрик Шарбонно. Большое сообщество ученых пытается решить вялость с 1980-х годов , но они не могут прийти к согласию относительно решения и даже спорят о наилучшем подходе.
Одна из популярных стратегий делает шаг назад, чтобы попытаться понять, как атомы заполняют данное пространство. Это рассматривает атомы в стекле как твердые сферы, упакованные вместе. Просто, правда? «Нет квантовой механики, нет теории струн, вам не нужно вызывать космическое пространство», - говорит Шарбонно. И все же даже изучение стекла таким способом оказалось невероятно трудным из-за сложностей, возникающих при определении того, какие позиции может занимать такое количество частиц. Помимо неотъемлемой проблемы описания расположения сфер, этот подход является упрощением, и неясно, насколько он будет актуален для очков реального мира.
Тем не менее, Шарбонно, кажется, полон энергии, когда говорит о таких проблемах исследования. Его стакан мерло наполовину полон, потому что он считает, что последние несколько лет принесли огромный прогресс. Ученые, по его словам, стали более изобретательными в вопросах о стекле. Собственное исследование Шарбонно имитирует стекло в более высоких измерениях, результаты, которые могут иметь важные последствия для степени беспорядка в трехмерном стекле. Другие исследователи рассматривают, что произойдет, если вы обездвижите некоторые частицы в переохлажденной жидкости, надеясь осветить, как такие жидкости достигают стеклообразного состояния. Еще больше рассматривают атомы в стекле как сущности, которые могут двигаться самостоятельно, вроде биологических клеток. Все эти усилия пытаются определить типы взаимодействий, которые способствуют образованию стекла, так что ученые увидят действительно хорошую теорию вялости, когда увидят ее.
Несмотря на все эти разговоры о движении, не ожидайте, что ваш бокал будет течь каким-либо видимым образом в ближайшее время. Это стекло «прослужит дольше, чем временные рамки вселенной», - говорит Шарбонно. Утверждает, что витражи в средневековых соборах толще в основании, потому что стеклянные потоки являются двухъярусными. Но почему именно он не течет, до сих пор остается загадкой.
