Ein Hinweis kam 1948, als ein junger Chemiker namens Walter Kauzmann bemerkt Was als Entropiekrise bekannt wurde, ein glasiges Paradoxon, das spätere Forscher erkannten, dass ideales Glas gelöst werden konnte.

Kauzmann wusste, je langsamer Sie eine Flüssigkeit abkühlen, desto mehr können Sie sie abkühlen, bevor sie in Glas übergeht. Und langsamer geformtes Glas wird dichter und stabiler, weil seine Moleküle länger herumschlurfen mussten (während die Flüssigkeit noch viskos war) und engere Anordnungen mit niedrigerer Energie finden mussten. Messungen zeigten eine entsprechende Verringerung der Entropie oder Störung des langsamer gebildeten Glases - weniger Möglichkeiten, seine Moleküle mit der gleichen niedrigen Energie anzuordnen.

Kauzmann extrapolierte den Trend und erkannte, dass man eine Flüssigkeit, wenn man sie langsam genug abkühlen konnte, bis zu einer Temperatur abkühlen konnte, die jetzt als Kauzmann-Temperatur bekannt ist, bevor sie vollständig aushärtete. Bei dieser Temperatur hätte das resultierende Glas eine Entropie, die so niedrig ist wie die eines Kristalls. Aber Kristalle sind ordentliche Strukturen. Wie könnte per Definition ungeordnetes Glas die gleiche Ordnung besitzen?

Kein gewöhnliches Glas konnte, was implizierte, dass bei der Kauzmann-Temperatur etwas Besonderes passieren musste. Eine Krise würde vermieden, wenn eine Flüssigkeit bei Erreichen dieser Temperatur den idealen Glaszustand erreichen würde - die dichtestmögliche zufällige Packung von Molekülen. Ein solcher Zustand würde eine „amorphe Fernordnung“ aufweisen, in der jedes Molekül die Position jedes anderen fühlt und beeinflusst, so dass sie sich als eine Einheit bewegen müssen, um sich zu bewegen. Die verborgene Fernordnung dieses mutmaßlichen Zustands könnte mit der offensichtlicheren Ordnung eines Kristalls mithalten. "Diese Beobachtung war genau der Grund, warum die Leute dachten, es sollte ein ideales Glas geben", sagte Mark Ediger, Chemiephysiker an der Universität von Wisconsin, Madison.

Nach dieser Theorie, die erstmals 1958 von Julian Gibbs und Edmund DiMarzio aufgestellt wurde, ist ideales Glas eine echte Phase der Materie, ähnlich der Flüssig- und Kristallphase. Der Übergang zu dieser Phase dauert einfach zu lange und erfordert einen zu langsamen Abkühlungsprozess, als dass Wissenschaftler ihn jemals sehen könnten. Der ideale Glasübergang ist "maskiert", sagte Daniel Stein, Physiker für kondensierte Materie an der New York University, indem die Flüssigkeit "so viskos wird, dass alles angehalten wird".

"Es ist so, als würde man dunkel durch ein Glas schauen", sagte Stein. „Wir können nicht zu [idealem Glas] gelangen oder es sehen. Aber wir können theoretisch versuchen, genaue Modelle dessen zu erstellen, was dort vor sich geht. “

Unerwartete Hilfe kam von Experimenten. Es gab nie die Hoffnung, durch Abkühlen einer Flüssigkeit ein ideales Glas zu bilden, wie es die Menschen seit Jahrtausenden bei der Glasherstellung anwenden. Sie müssten eine Flüssigkeit unglaublich langsam - vielleicht sogar unendlich langsam - abkühlen, damit sie nicht aushärtet, bevor sie die Kauzmann-Temperatur erreicht. Aber im Jahr 2007, Ediger, der Wisconsin Physiker, entwickelte eine neue Methode der Glasherstellung. "Wir haben herausgefunden, dass es einen anderen Weg gibt, Gläser mit hoher Dichte und in der Nähe des idealen Glaszustands auf einem völlig anderen Weg herzustellen", sagte er.

Ediger und sein Team entdeckten, dass sie „ultra-stabile Brillen“ herstellen konnten, die in einem Zustand zwischen gewöhnlich und ideal existieren. Mit einer Methode, die als Dampfabscheidung bezeichnet wird, ließen sie Moleküle nacheinander auf eine Oberfläche fallen, als würden sie Tetris spielen, so dass sich jedes Molekül in seinem engsten Sitz im sich bildenden Glas festsetzen konnte, bevor das nächste Molekül abfiel. Das resultierende Glas war dichter, stabiler und entropieärmer als alle Gläser im Laufe der Menschheitsgeschichte. "Diese Materialien haben die Eigenschaften, die Sie erwarten würden, wenn Sie eine Flüssigkeit im Laufe einer Million Jahre abkühlen würden", sagte Ediger.

Eine weitere Eigenschaft von ultra-stabilem Glas würde schließlich die vielversprechendste Roadmap für ideales Glas aufzeigen.

Zwei Gruppen, eine von ihnen unter der Leitung von Miguel Ramos in Madrid, identifizierten diese Eigenschaft im Jahr 2014, als sie feststellten, dass ultra-stabiles Glas von einem universellen Merkmal allen gewöhnlichen Glases abweicht.

Physiker wissen seit Jahrzehnten, dass ultrakaltes Glas eine hohe Wärmekapazität hat - die Wärmemenge, die zur Erhöhung seiner Temperatur benötigt wird. Glas kann viel mehr Wärme aufnehmen als ein Kristall nahe dem absoluten Nullpunkt, mit einer Wärmekapazität, die direkt proportional zur Temperatur ist.

Theoretiker wie Phil Anderson, der verehrte Nobelpreisträger für Festkörperphysik, schlug eine Erklärung vor in den frühen 1970er Jahren. Sie argumentierten, dass Glas viele „Zwei-Ebenen-Systeme“ enthält, kleine Cluster von Atomen oder Molekülen, die zwischen zwei alternativen, gleich stabilen Konfigurationen hin und her rutschen können. "Man kann sich vorstellen, dass eine ganze Reihe von Atomen von einer Konfiguration zu einer etwas anderen Konfiguration wechselt", sagte Frances Hellman von der University of California in Berkeley, "die in einem kristallinen Material einfach nicht existiert."

Obwohl die Atome oder Moleküle von ihren Nachbarn zu stark eingepfercht sind, um selbstständig viel zu schalten, aktiviert Wärme bei Raumtemperatur die zweistufigen Systeme und versorgt die Atome mit der Energie, die sie zum Mischen benötigen. Diese Aktivität nimmt mit sinkender Glastemperatur ab. In der Nähe des absoluten Nullpunkts werden Quanteneffekte jedoch wichtig: Gruppen von Atomen im Glas können quantenmechanisch zwischen den alternativen Konfigurationen „tunneln“, durch Hindernisse hindurchgehen und sogar beide Ebenen des Zwei-Ebenen-Systems gleichzeitig einnehmen. Der Tunnel nimmt viel Wärme auf und erzeugt die charakteristische hohe Wärmekapazität von Glas.

Einige Jahre nachdem Ediger herausgefunden hatte, wie ultra-stabiles Glas hergestellt werden kann, machte sich Hellmans Gruppe in Berkeley und Ramos in Madrid unabhängig voneinander daran zu untersuchen, ob es von dieser universellen Wärmekapazität nahe dem absoluten Nullpunkt abweichen könnte. In ihrer diejenigen ExperimenteSie untersuchten die Tieftemperatureigenschaften von ultra-stabilem Silizium und ultra-stabilem Indomethacin (einer Chemikalie, die auch als entzündungshemmendes Medikament verwendet wird). Sicher genug, fanden sie heraus, dass beide Gläser eine weitaus geringere Wärmekapazität als gewöhnlich nahe dem absoluten Nullpunkt hatten, was mit der eines Kristalls übereinstimmt. Dies deutete darauf hin, dass ultrastabiles Glas weniger zweistufige Systeme zum Tunneln aufweist. Die Moleküle befinden sich in besonders engen Konfigurationen mit wenigen Konkurrenten.

Wenn die außergewöhnlich niedrige Wärmekapazität von ultra-stabilem Glas tatsächlich von weniger zweistufigen Systemen herrührt, entspricht das ideale Glas natürlich dem Zustand ohne zweistufige Systeme. "Es ist einfach perfekt positioniert, wo alle Atome ungeordnet sind - es hat keine Kristallstruktur -, aber es bewegt sich überhaupt nichts", sagte David Reichman, Theoretiker an der Columbia University.

Darüber hinaus könnte der Drang zu diesem Zustand perfekter amorpher Fernordnung, in dem jedes Molekül die Positionen aller anderen beeinflusst, dazu führen, dass Flüssigkeiten in dem Glas aushärten, das wir überall um uns herum sehen (und durchschauen).

In diesem sich abzeichnenden Bild versucht eine Flüssigkeit, wenn sie zu einem Glas wird, tatsächlich in die ideale Glasphase überzugehen, die durch einen fundamentalen Zug in Richtung einer Fernordnung gezogen wird. Das ideale Glas ist der Endpunkt, sagte Royall, aber wenn die Moleküle versuchen, sich näher zusammenzudrängen, bleiben sie stecken. Die zunehmende Viskosität verhindert, dass das System jemals den gewünschten Zustand erreicht.

Kürzlich wurden bahnbrechende Computersimulationen verwendet, um diese Ideen zu testen. Die Simulation von ultrastabilem Glas auf einem Computer war früher nicht möglich, da die simulierten Moleküle eine außergewöhnliche Rechenzeit benötigen, um sich zusammenzudrängen. Vor zwei Jahren fand Berthier jedoch einen Trick, mit dem er den Prozess um den Faktor 1 Billion beschleunigen konnte. Sein Algorithmus wählt zwei Partikel zufällig aus und tauscht ihre Positionen aus. Diese Erschütterungen helfen der simulierten Flüssigkeit, nicht hängen zu bleiben, und ermöglichen es den Molekülen, sich in kuscheligen Anfällen niederzulassen - genau wie die Fähigkeit, zwei schlecht sitzende Formen auszutauschen, bei Tetris hilfreich wäre.

In einer Zeitung Das wird zur Veröffentlichung in geprüft Physical Review LettersBerthier, Scalliet, Reichman und zwei Mitautoren berichteten, dass je stabiler das simulierte Glas ist, desto weniger zweistufige Systeme vorhanden sind. Wie bei den Wärmekapazitätsmessungen von Hellman und Ramos legen die Computersimulationen nahe, dass zweistufige Systeme - konkurrierende Konfigurationen von Molekülgruppen - die Quelle der Glasentropie sind. Je weniger dieser alternativen Zustände es gibt, desto mehr Stabilität und Fernordnung hat ein amorpher Feststoff und desto näher ist er dem Ideal.

Die Theoretiker Vassiliy Lubchenko von der University of Houston und Peter Wolynes von der Rice University vorgeschlagen Bereits 2007 sollte dieses ideale Glas keine zweistufigen Systeme haben. "Ich bin sehr zufrieden mit Berthiers Ergebnis", sagte Wolynes per E-Mail.

Aber dann ist da noch dieser Bernstein.

Ramos und seine Mitarbeiter veröffentlichten ihre Vergleiche von alten und „verjüngten“ Proben des gelben Glases in Physical Review Letters Sie stellten fest, dass der 2014 Millionen Jahre alte Bernstein im Einklang mit ultrastabilem Glas etwa 110 Prozent dichter geworden war. Dies sollte darauf hindeuten, dass sich der Bernstein tatsächlich im Laufe der Zeit stabilisiert hatte, da kleine Gruppen von Molekülen nacheinander in energiearme Anordnungen abrutschten.

Als das Madrider Team das alte Glas fast auf Null abkühlte und seine Wärmekapazität maß, erzählten die Ergebnisse eine andere Geschichte. Der gealterte Bernstein hatte die gleiche hohe Wärmekapazität wie neuer Bernstein - und alles andere gewöhnliche Glas. Seine Moleküle schienen zwischen ebenso vielen zweistufigen Systemen wie gewöhnlich zu tunneln.

Warum ist die Anzahl der zweistufigen Systeme im Laufe der Zeit nicht gesunken, als sich der Bernstein stabilisierte und dichter wurde? Die Ergebnisse passen nicht.

"Ich mag die Experimente mit Bernstein sehr, aber die Herstellung eines Braunglases ist ein ziemlich chaotischer Prozess", sagte Ediger, der Urheber der Dampfabscheidungsmethode. "Es ist im Grunde genommen Baumsaft, der sich im Laufe der Zeit chemisch verändert und verfestigt sowie altert." Er glaubt, dass Verunreinigungen im spanischen Bernstein die Wärmekapazitätsmessungen beeinträchtigt haben könnten.

Die Forscher planen weitere Experimente mit Bernstein sowie mit im Labor hergestelltem und simuliertem Glas, um mehr Details von zweistufigen Systemen aufzudecken und dem mutmaßlichen Idealzustand näher zu kommen. Reichman merkte an, dass es möglicherweise nie möglich sei, seine Existenz mit absoluter Sicherheit zu beweisen. "Vielleicht werden wir eines Tages zumindest am Computer wissen, wie man Partikel präzise so verpackt, dass sie das ideale Glas sind, nach dem wir suchen", sagte er. "Aber wir müssten dann sehr lange warten - zu lange - um zu sehen, ob es stabil bleibt."

Anmerkung des Herausgebers: Ludovic Berthier und David Reichman haben Mittel von der erhalten Simons Foundation, die auch Quanta unterstützt, ein redaktionell unabhängige Veröffentlichung. Die Finanzierung der Simons Foundation spielt bei ihrer Berichterstattung keine Rolle.

Ursprüngliche Geschichte Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Quanta Magazine, eine redaktionell unabhängige Veröffentlichung der Simons Foundation Seine Aufgabe ist es, das öffentliche Verständnis von Wissenschaft zu verbessern, indem Forschungsentwicklungen und Trends in der Mathematik und den Physik- und Lebenswissenschaften behandelt werden.