Pada 2008, Miguel Ramos membaca di surat kabar bahwa ambar berumur 110 juta tahun yang mengandung serangga Mesozoikum murni telah ditemukan beberapa jam berkendara dari Madrid, tempat tinggalnya. Seorang fisikawan yang berspesialisasi dalam kaca, Ramos ingin bertahun-tahun mendapatkan amber kuno. Dia menghubungi ahli paleontologi yang bekerja di situs tersebut, yang mengundangnya untuk berkunjung.
Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Majalah Quanta, sebuah publikasi independen yang independen dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan mencakup perkembangan penelitian dan tren dalam matematika serta ilmu fisika dan kehidupan.
"Mereka memberi saya contoh jelas yang tidak baik untuk mereka," katanya. "Mereka tidak memiliki serangga yang menarik atau apa pun ... tapi mereka sempurna untukku."
Ramos menghabiskan beberapa tahun berikutnya sebentar-sebentar mengerjakan pengukuran kaca kuno. Dia berharap bahwa resin pohon yang memfosil, setelah menua begitu lama, dapat mendekati suatu bentuk materi hipotetis yang dikenal sebagai gelas ideal.
Selama beberapa dekade, fisikawan telah memimpikan benda padat amorf yang sempurna ini. Mereka sangat menginginkan kaca yang ideal bukan untuk dirinya sendiri (meskipun memiliki sifat yang unik dan berguna) tetapi karena keberadaannya akan memecahkan misteri yang dalam. Ini adalah misteri yang ditimbulkan oleh setiap jendela dan cermin, setiap potongan plastik dan permen keras, dan bahkan sitoplasma yang mengisi setiap sel. Semua bahan ini secara teknis adalah kaca, karena kaca adalah segala sesuatu yang padat dan kaku tetapi terbuat dari molekul yang tidak teratur seperti yang ada di dalam cairan. Kaca adalah cairan dalam animasi tersuspensi, cairan yang molekulnya anehnya tidak dapat mengalir. Kaca ideal, jika ada, akan memberi tahu kita alasannya.
Secara tidak nyaman, kaca yang ideal akan membutuhkan waktu begitu lama untuk terbentuk sehingga mungkin tidak pernah melakukannya dalam semua sejarah kosmik. Fisikawan hanya dapat mencari bukti tidak langsung yang, jika diberikan dalam waktu tidak terbatas, itu akan terjadi. Ramos, seorang ahli fisika eksperimental di Universitas Otonomi Madrid, berharap bahwa setelah 110 juta tahun penuaan, damar Spanyol mungkin sudah mulai menunjukkan secercah kesempurnaan. Jika demikian, ia akan tahu apa yang sebenarnya dilakukan molekul-molekul dalam gelas biasa ketika mereka tidak melakukan apa-apa.
Pengukuran amber Ramos adalah bagian dari lonjakan minat pada kaca ideal. Dalam beberapa tahun terakhir, metode baru dalam membuat kaca dan mensimulasikannya di komputer telah menghasilkan kemajuan yang tidak terduga. Petunjuk utama telah muncul tentang sifat kaca ideal dan hubungannya dengan kaca biasa. "Studi ini memberikan dukungan baru untuk hipotesis keberadaan keadaan kaca ideal," kata Ludovic Berthier, fisikawan di Universitas Montpellier yang terlibat secara sentral dalam simulasi komputer baru-baru ini.
Tetapi gambaran yang muncul dari gelas ideal hanya masuk akal jika kita menyisihkan satu bukti.
“Memang,” kata Berthier, “karya amber menonjol karena sulit untuk dirasionalisasi.”
Saat Anda mendinginkan cairan, cairan itu akan mengkristal atau mengeras menjadi kaca. Manakah dari keduanya yang terjadi bergantung pada substansi dan seluk-beluk proses yang dipelajari para pembuat kaca melalui trial and error selama ribuan tahun. “Menghindari kristalisasi adalah seni gelap,” kata Paddy Royall, fisikawan kaca di Universitas Bristol di Inggris.
Kedua opsi tersebut sangat berbeda.
Kristalisasi adalah peralihan dramatis dari fase cair, di mana molekul tidak teratur dan mengalir bebas, ke fase kristal, di mana molekul terkunci dalam pola berulang yang teratur. Air membeku menjadi es pada suhu nol derajat Celcius, misalnya, karena molekul H2O berhenti bergoyang cukup pada suhu tersebut untuk merasakan kekuatan satu sama lain dan jatuh ke dalam langkah yang terkunci.
Cairan lain, jika didinginkan, lebih mudah menjadi kaca. Silika, misalnya — kaca jendela — dimulai sebagai cairan cair di atas 1,000 derajat Celcius; saat mendingin, molekulnya yang tidak teratur berkontraksi sedikit, berkerumun sedikit lebih dekat, yang membuat cairan semakin kental. Akhirnya, molekul-molekul itu berhenti bergerak sama sekali. Dalam transisi gelas bertahap ini, molekul tidak mengatur ulang. Mereka hanya terhenti.
Persis mengapa cairan pendingin mengeras masih belum diketahui. Jika molekul-molekul dalam kaca terlalu dingin untuk mengalir, masih mungkin untuk memadatkannya ke dalam susunan baru. Tapi kaca tidak bisa pecah; molekulnya yang campur aduk benar-benar kaku, meski tampak sama dengan molekul dalam cairan. "Cairan dan kaca memiliki struktur yang sama, tetapi berperilaku berbeda," kata Camille Scalliet, ahli teori kaca di University of Cambridge. “Memahami itu adalah pertanyaan utamanya.”
Sebuah petunjuk muncul pada tahun 1948, ketika seorang ahli kimia muda bernama Walter Kauzmann melihat apa yang kemudian dikenal sebagai krisis entropi, sebuah paradoks kaca yang kemudian disadari oleh para peneliti bahwa kaca ideal dapat diselesaikan.
Kauzmann tahu bahwa semakin lambat Anda mendinginkan cairan, semakin Anda bisa mendinginkannya sebelum berubah menjadi kaca. Dan kaca yang terbentuk lebih lambat berakhir lebih padat dan lebih stabil, karena molekulnya harus lebih lama bergerak (saat cairan masih kental) dan menemukan pengaturan yang lebih rapat dan berenergi lebih rendah. Pengukuran menunjukkan pengurangan yang sesuai dalam entropi, atau ketidakteraturan, dari kaca yang terbentuk lebih lambat — lebih sedikit cara molekulnya dapat diatur dengan energi rendah yang sama.
Mengekstrapolasi tren, Kauzmann menyadari bahwa jika Anda bisa mendinginkan cairan dengan cukup lambat, Anda bisa mendinginkannya hingga suhu yang sekarang dikenal sebagai suhu Kauzmann sebelum benar-benar mengeras. Pada suhu itu, gelas yang dihasilkan akan memiliki entropi serendah kristal. Tetapi kristal adalah struktur yang rapi dan teratur. Bagaimana kaca, tidak teratur menurut definisi, memiliki urutan yang sama?
Tidak ada kaca biasa yang mampu melakukannya, yang menyiratkan bahwa sesuatu yang istimewa pasti terjadi pada suhu Kauzmann. Krisis akan terhindarkan jika cairan, setelah mencapai suhu itu, mencapai keadaan kaca ideal — kumpulan molekul acak yang paling padat. Keadaan seperti itu akan menunjukkan “tatanan amorf jarak jauh,” di mana setiap molekul merasakan dan mempengaruhi posisi satu sama lain, sehingga untuk bergerak, mereka harus bergerak sebagai satu kesatuan. Tatanan jarak jauh yang tersembunyi dari keadaan yang diduga ini dapat menyaingi keteraturan kristal yang lebih jelas. “Pengamatan tepat di sana adalah inti dari mengapa orang berpikir harus ada kaca yang ideal,” kata Mark Ediger, fisikawan kimia di Universitas Wisconsin, Madison.
Menurut teori ini, yang pertama kali dikemukakan oleh Julian Gibbs dan Edmund DiMarzio pada tahun 1958, kaca ideal adalah fase materi yang sebenarnya, mirip dengan fase cair dan kristal. Transisi ke fase ini memakan waktu terlalu lama, membutuhkan proses pendinginan yang terlalu lambat, untuk dilihat para ilmuwan. Transisi kaca ideal adalah "tertutup", kata Daniel Stein, fisikawan materi terkondensasi di Universitas New York, dengan cairan menjadi "begitu kental sehingga semuanya tertahan."
"Ini seperti melihat melalui kaca dengan gelap," kata Stein. “Kami tidak bisa mendapatkan [gelas ideal] atau melihatnya. Tapi secara teoritis kami dapat mencoba membuat model yang akurat tentang apa yang terjadi di sana. "
Bantuan tak terduga datang dari eksperimen. Tidak pernah ada harapan untuk membentuk kaca yang ideal dengan mendinginkan cairan, metode pembuatan kaca yang telah digunakan manusia selama ribuan tahun. Anda harus mendinginkan cairan dengan sangat lambat — bahkan mungkin sangat lambat — agar tidak mengeras sebelum mencapai suhu Kauzmann. Tetapi pada tahun 2007, Ediger, fisikawan Wisconsin, mengembangkan metode baru pembuatan kaca. "Kami menemukan bahwa ada cara lain untuk membuat kacamata dengan kepadatan tinggi dan mendekati kondisi kaca ideal dengan cara yang sama sekali berbeda," katanya.
Ediger dan timnya menemukan bahwa mereka dapat menciptakan "kacamata ultra-stabil" yang berada dalam kondisi antara biasa dan ideal. Dengan menggunakan metode yang disebut deposisi uap, mereka menjatuhkan molekul satu per satu ke permukaan seolah-olah mereka memainkan Tetris, memungkinkan setiap molekul untuk mengendap ke dalam lubangnya di kaca pembentuk sebelum molekul berikutnya turun. Kaca yang dihasilkan lebih padat, lebih stabil, dan entropinya lebih rendah daripada semua kaca sepanjang sejarah manusia. “Bahan-bahan ini memiliki sifat yang Anda harapkan jika Anda mengambil cairan dan mendinginkannya selama jutaan tahun,” kata Ediger.
Properti lain dari kaca ultra-stabil pada akhirnya akan mengungkapkan peta jalan paling menjanjikan untuk kaca ideal.
Dua kelompok, salah satunya dipimpin oleh Miguel Ramos di Madrid, mengidentifikasi properti itu pada tahun 2014, ketika mereka menemukan bahwa kaca ultra-stabil berangkat dari karakteristik universal semua kaca biasa.
Fisikawan telah mengetahui selama beberapa dekade bahwa kaca ultra-dingin memiliki kapasitas panas yang tinggi — jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhunya. Kaca dapat mengambil lebih banyak panas daripada kristal yang mendekati nol absolut, dengan kapasitas panas yang berbanding lurus dengan suhu.
Ahli teori termasuk Phil Anderson, ahli fisika benda terkondensasi yang memenangkan Hadiah Nobel, menyarankan penjelasan di awal tahun 1970-an. Mereka berargumen bahwa kaca mengandung banyak "sistem dua tingkat," kelompok kecil atom atau molekul yang dapat berpindah bolak-balik di antara dua alternatif, konfigurasi yang sama-sama stabil. “Anda dapat membayangkan sekelompok atom yang bergeser dari satu konfigurasi ke konfigurasi yang sangat berbeda,” kata Frances Hellman dari University of California, Berkeley, “yang tidak hanya ada dalam material kristal.”
Meskipun atom atau molekul terlalu dikotakkan oleh tetangganya untuk melakukan banyak peralihan sendiri, pada suhu kamar, panas mengaktifkan sistem dua tingkat, menyediakan atom dengan energi yang mereka butuhkan untuk berputar. Aktivitas ini berkurang saat suhu gelas turun. Tetapi mendekati nol absolut, efek kuantum menjadi penting: Kelompok atom dalam kaca dapat secara mekanis "menerobos" antara konfigurasi alternatif, melewati rintangan apa pun, dan bahkan menempati kedua tingkat sistem dua tingkat sekaligus. Penerowongan menyerap banyak panas, menghasilkan karakteristik kapasitas panas kaca yang tinggi.
Beberapa tahun setelah Ediger menemukan cara membuat kaca ultra-stabil, kelompok Hellman di Berkeley dan Ramos 'di Madrid secara independen mulai mempelajari apakah kaca itu mungkin menyimpang dari kapasitas panas universal mendekati nol mutlak. Di mereka itu eksperimen, mereka menyelidiki sifat suhu rendah dari silikon yang sangat stabil dan indometasin yang sangat stabil (bahan kimia yang juga digunakan sebagai obat anti-inflamasi). Benar saja, mereka menemukan bahwa kedua gelas memiliki kapasitas panas yang jauh lebih rendah dari biasanya mendekati nol mutlak, sejalan dengan kristal. Ini menunjukkan bahwa kaca ultra-stabil memiliki lebih sedikit sistem dua tingkat untuk terowongan di antaranya. Molekul-molekulnya berada dalam konfigurasi yang sangat pas dengan sedikit pesaing.
Jika kapasitas panas kaca ultra-stabil yang sangat rendah benar-benar berasal dari memiliki sistem dua tingkat yang lebih sedikit, maka kaca ideal secara alami sesuai dengan keadaan tanpa sistem dua tingkat sama sekali. “Itu sempurna, entah bagaimana, diposisikan di mana semua atom tidak teratur — ia tidak memiliki struktur kristal — tetapi tidak ada yang bergerak sama sekali,” kata David Reichman, ahli teori di Universitas Columbia.
Lebih jauh lagi, dorongan menuju keadaan tatanan amorf jangka panjang yang sempurna ini, di mana setiap molekul mempengaruhi posisi semua molekul lain, bisa menjadi penyebab cairan mengeras ke dalam gelas yang kita lihat (dan lihat melalui) di sekitar kita.
Dalam gambaran yang muncul ini, ketika cairan menjadi gelas, sebenarnya sedang mencoba untuk beralih ke fase kaca ideal, ditarik oleh tarikan fundamental menuju tatanan jangka panjang. Kaca yang ideal adalah titik akhir, kata Royall, tetapi ketika molekul-molekul itu mencoba untuk berdesakan lebih dekat, mereka macet; viskositas yang meningkat mencegah sistem mencapai keadaan yang diinginkan.
Baru-baru ini, simulasi komputer yang inovatif digunakan untuk menguji ide-ide ini. Simulasi kaca ultra-stabil pada komputer dulunya tidak layak karena waktu komputasi luar biasa yang diperlukan untuk molekul yang disimulasikan untuk berkumpul bersama. Namun, dua tahun lalu, Berthier menemukan trik yang memungkinkannya mempercepat proses dengan faktor 1 triliun. Algoritmanya mengambil dua partikel secara acak dan menukar posisinya. Guncangan ini membantu simulasi cairan tetap tidak tertahan, memungkinkan molekul untuk mengendap menjadi pas — seperti kemampuan untuk menukar dua bentuk yang tidak pas akan membantu dalam Tetris.
Dalam sebuah kertas yang sedang ditinjau untuk publikasi di Physical Review Letters, Berthier, Scalliet, Reichman dan dua rekan penulis melaporkan bahwa semakin stabil kaca simulasi, semakin sedikit sistem dua tingkat yang dimilikinya. Seperti pengukuran kapasitas panas Hellman dan Ramos, simulasi komputer menunjukkan bahwa sistem dua tingkat — konfigurasi kelompok molekul yang bersaing — adalah sumber entropi kaca. Semakin sedikit keadaan alternatif ini, semakin stabil dan tatanan jarak jauh yang dimiliki padatan amorf, dan semakin mendekati ideal.
Teori Vassiliy Lubchenko dari University of Houston dan Peter Wolynes dari Rice University disarankan pada tahun 2007 bahwa kaca ideal seharusnya tidak memiliki sistem dua tingkat. “Saya cukup senang dengan hasil Berthier,” kata Wolynes melalui email.
Tapi kemudian ada amber itu.
Ramos dan kolaboratornya menerbitkan perbandingan mereka tentang sampel kaca kuning yang lama dan "diremajakan" Physical Review Letters pada tahun 2014. Mereka menemukan bahwa ambar berumur 110 juta tahun telah tumbuh sekitar 2 persen lebih padat, sejalan dengan kaca ultra-stabil. Ini seharusnya menunjukkan bahwa ambar memang telah stabil dari waktu ke waktu, ketika sekelompok kecil molekul menyelinap, satu per satu, ke pengaturan energi yang lebih rendah.
Tetapi ketika tim Madrid mendinginkan kaca kuno itu hampir mendekati nol mutlak dan mengukur kapasitas panasnya, hasilnya menceritakan kisah yang berbeda. Amber tua memiliki kapasitas panas yang sama dengan amber baru — dan semua kaca biasa lainnya. Molekulnya tampaknya menerobos antara sistem dua tingkat seperti biasanya.
Mengapa jumlah sistem dua tingkat tidak menurun seiring waktu karena ambar stabil dan menjadi lebih padat? Temuannya tidak sesuai.
“Saya sangat suka eksperimen pada amber, tapi membuat gelas amber adalah proses yang berantakan,” kata Ediger, pencetus metode deposisi uap. "Ini pada dasarnya getah pohon yang dari waktu ke waktu secara kimiawi berubah dan mengeras serta menua." Menurutnya kotoran dalam amber Spanyol mungkin telah menodai pengukuran kapasitas panas.
Para peneliti berencana untuk melakukan eksperimen lebih lanjut pada amber, serta kaca buatan laboratorium dan simulasi, dengan harapan dapat mengungkap lebih banyak detail dari sistem dua tingkat dan mendekati keadaan ideal yang diduga. Reichman mencatat bahwa tidak mungkin membuktikan keberadaannya dengan kepastian yang lengkap. "Mungkin suatu hari kita akan tahu, setidaknya di komputer, bagaimana mengemas partikel secara tepat dengan cara yang akan menjadi kaca ideal yang kita cari," katanya. “Tapi kami kemudian harus menunggu sangat lama — terlalu lama — untuk melihat apakah itu tetap stabil.”
Catatan Editor: Ludovic Berthier dan David Reichman telah menerima dana dari Yayasan Simons, yang juga mendukung Quanta, sebuah publikasi yang independen secara editorial. Pendanaan Simons Foundation tidak berperan dalam peliputan mereka.
Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Majalah Quanta, sebuah publikasi independen yang independen dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren dalam matematika dan ilmu fisika dan kehidupan.
Baca lebih lanjut: https://www.wired.com/story/physicists-chip-away-at-a-mystery-why-does-glass-exist/
