I 2008, Miguel Ramos leste i avisen at 110 millioner år gammelt rav med uberørte mesozoiske insekter hadde blitt oppdaget noen timers kjøretur fra Madrid, hvor han bodde. En fysiker som spesialiserer seg på glass, Ramos hadde ønsket i årevis å få tak i gammelt rav. Han tok kontakt med paleontologene som jobbet på stedet, som inviterte ham på besøk.
Opprinnelig historie gjengitt med tillatelse fra Quanta Magazine, en redaksjonelt uavhengig publikasjon av Simons Foundation hvis oppgave er å styrke offentlig forståelse av vitenskap ved å dekke forskningsutvikling og trender innen matematikk og fysikk og biovitenskap.
"De ga meg de klare prøvene som ikke er bra for dem," sa han. "De har ingen interessante insekter eller noe annet ... men de er perfekte for meg."
Ramos tilbrakte de neste årene av og til å jobbe med målinger av det eldgamle glasset. Han håpet at den fossiliserte treharpiksen, etter å ha blitt eldre så lenge, kunne nærme seg en hypotetisk form for materie kjent som ideelt glass.
I flere tiår har fysikere drømt om dette perfekte amorfe stoffet. De ønsker ideelt glass ikke så mye for dets egen skyld (selv om det ville ha unike, nyttige egenskaper), men fordi dets eksistens ville løse et dypt mysterium. Det er mysteriet som utgjøres av hvert vindu og speil, hver plastbit og hardt godteri, og til og med cytoplasmaet som fyller hver celle. Alle disse materialene er teknisk sett glass, for glass er alt som er solid og stivt, men laget av uordnede molekyler som de i en væske. Glass er en væske i suspendert animasjon, en væske hvis molekyler merkelig nok ikke kan flyte. Ideelt glass, hvis det finnes, vil fortelle oss hvorfor.
Upraktisk nok ville ideelt glass ta så lang tid å danne at det kanskje ikke har gjort det i hele den kosmiske historien. Fysikere kan bare søke indirekte bevis for at, gitt ubegrenset tid, ville det. Ramos, en eksperimentell fysiker ved det autonome universitetet i Madrid, håpet at etter 110 millioner år med aldring, kan det spanske ravet ha begynt å vise glimt av perfeksjon. I så fall ville han vite hva molekylene i vanlig glass egentlig gjør når de ser ut til å ikke gjøre noe.
Ramos sine gule målinger er en del av en bølge av interesse for ideelt glass. De siste årene har nye metoder for å lage glass og simulere det på datamaskiner ført til uventede fremskritt. Det har dukket opp store ledetråder om det ideelle glassets natur og dets tilknytning til vanlig glass. "Disse studiene gir fornyet støtte for hypotesen om eksistensen av en ideell glasstilstand," sa Ludovic Berthier, en fysiker ved University of Montpellier som var sentralt involvert i de nylige datasimuleringene.
Men det nye bildet av idealglass gir bare mening hvis vi setter til side ett bevis.
"Virkelig," sa Berthier, "ravverket skiller seg ut som vanskelig å rasjonalisere."
Når du avkjøler en væske, vil den enten krystallisere eller stivne til glass. Hvilken av de to som skjer, avhenger av stoffet og av subtilitetene i prosessen som glassblåsere har lært gjennom prøving og feiling gjennom tusenvis av år. "Å unngå krystallisering er en mørk kunst," sa Paddy Royall, en glassfysiker ved University of Bristol i Storbritannia.
De to alternativene er svært forskjellige.
Krystallisering er en dramatisk overgang fra væskefasen, der molekylene er uordnet og frittflytende, til krystallfasen, der molekylene er låst i et regelmessig, repeterende mønster. Vann fryser til is ved null grader Celsius, for eksempel fordi H2O-molekylene slutter å vikle rundt akkurat nok ved den temperaturen til å føle hverandres krefter og falle i lås.
Andre væsker blir lettere til glass når de er avkjølt. Silica, for eksempel - vindusglass - starter som en smeltet væske godt over 1,000 grader Celsius; etter hvert som den avkjøles, trekker de uordnede molekylene seg litt sammen, og trekker seg litt tettere sammen, noe som gjør væsken stadig mer viskøs. Til slutt slutter molekylene å bevege seg helt. I denne gradvise glassovergangen omorganiseres ikke molekylene. De bare stopper opp.
Nøyaktig hvorfor kjølevæsken stivner er fortsatt ukjent. Hvis molekylene i glass rett og slett var for kalde til å flyte, burde det fortsatt være mulig å presse dem inn i nye arrangementer. Men glass klemmer ikke; dens sammenblandet molekyler er virkelig stive, til tross for at de ser ut som molekyler i en væske. "Væske og glass har samme struktur, men oppfører seg annerledes," sa Camille Scalliet, en glassteoretiker ved University of Cambridge. "Å forstå det er hovedspørsmålet."
En ledetråd kom i 1948, da en ung kjemiker ved navn Walter Kauzmann la merke til det som ble kjent som entropikrisen, et glassaktig paradoks som senere forskere innså at ideelt glass kunne løse.
Kauzmann visste at jo langsommere du avkjøler en væske, jo mer kan du avkjøle den før den går over i glass. Og langsommere dannet glass ender opp tettere og mer stabilt, fordi molekylene hadde lengre tid på seg til å stokke rundt (mens væsken fortsatt var tyktflytende) og finne strammere arrangementer med lavere energi. Målinger indikerte en tilsvarende reduksjon i entropien, eller forstyrrelsen, til det langsommere dannede glasset - færre måter dets molekyler kunne ordnes med samme lave energi.
Ved å ekstrapolere trenden, innså Kauzmann at hvis du kunne avkjøle en væske sakte nok, kunne du kjøle den helt ned til en temperatur nå kjent som Kauzmann-temperaturen før den stivnet helt. Ved den temperaturen vil det resulterende glasset ha en entropi så lav som en krystall. Men krystaller er pene, ryddige strukturer. Hvordan kunne glass, uordnet per definisjon, ha lik orden?
Ingen vanlig glass kunne, noe som antydet at noe spesielt måtte skje ved Kauzmann-temperaturen. Krise ville unngås hvis en væske, når den nådde den temperaturen, oppnådde den ideelle glasstilstanden - den tetteste mulige tilfeldige pakkingen av molekyler. En slik tilstand ville vise "langdistanse amorf orden", der hvert molekyl føles og påvirker posisjonen til hverandre, slik at for å bevege seg, må de bevege seg som ett. Den skjulte rekkefølgen på lang rekkevidde til denne antatte tilstanden kan konkurrere med den mer åpenbare orden til en krystall. "Denne observasjonen akkurat der var kjernen av hvorfor folk trodde det burde være et ideelt glass," sa Mark Ediger, en kjemisk fysiker ved University of Wisconsin, Madison.
I følge denne teorien, først fremmet av Julian Gibbs og Edmund DiMarzio i 1958, er ideelt glass en sann fase av materie, beslektet med væske- og krystallfasene. Overgangen til denne fasen tar bare for lang tid, og krever en for langsom avkjølingsprosess, for forskere å se. Den ideelle glass-overgangen er "maskert," sa Daniel Stein, en kondensert materie-fysiker ved New York University, ved at væsken blir "så tyktflytende at alt blir arrestert."
"Det er som å se mørkt gjennom et glass," sa Stein. "Vi kan ikke komme til [ideelt glass] eller se det. Men vi kan teoretisk prøve å lage nøyaktige modeller av hva som skjer der.»
Uventet hjelp har kommet fra eksperimenter. Det var aldri noe håp om å danne ideelt glass ved å avkjøle en væske, glassfremstillingsmetoden mennesker har brukt i årtusener. Du må avkjøle en væske umulig sakte - kanskje til og med uendelig sakte - for å forhindre at den stivner før den når Kauzmann-temperaturen. Men i 2007, Ediger, Wisconsin-fysikeren, utviklet en ny metode av glassproduksjon. "Vi fant ut at det var en annen måte å lage glass med høy tetthet og nær den ideelle glasstilstanden på en helt annen måte," sa han.
Ediger og teamet hans oppdaget at de kunne lage "ultrastabile briller" som eksisterer i en tilstand et sted mellom vanlige og ideelle. Ved å bruke en metode som kalles vapor deposition, slapp de molekyler en etter en på en overflate som om de spilte Tetris, slik at hvert molekyl kunne sette seg inn i sin tetteste passform i glasset før det neste molekylet kom ned. Det resulterende glasset var tettere, mer stabilt og lavere i entropi enn alle glassene gjennom menneskets historie. "Disse materialene har egenskapene du ville forvente hvis du tok en væske og avkjølte den i løpet av en million år," sa Ediger.
En annen egenskap ved ultrastabilt glass vil til slutt avsløre det mest lovende veikartet til ideelt glass.
To grupper, en av dem ledet av Miguel Ramos i Madrid, identifiserte denne egenskapen i 2014, da de fant ut at ultrastabilt glass avviker fra en universell egenskap for alt vanlig glass.
Fysikere har visst i flere tiår at ultrakaldt glass har høy varmekapasitet – mengden varme som trengs for å heve temperaturen. Glass kan ta mye mer varme enn en krystallboks nær absolutt null, med en varmekapasitet som er direkte proporsjonal med temperaturen.
Teoretikere inkludert Phil Anderson, den ærede nobelprisvinnende fysikeren for kondensert materie, foreslo en forklaring tidlig på 1970-tallet. De hevdet at glass inneholder mange "to-nivåsystemer", små klynger av atomer eller molekyler som kan skli frem og tilbake mellom to alternative, like stabile konfigurasjoner. "Du kan forestille deg en hel haug med atomer som skifter fra en konfigurasjon til en veldig litt annen konfigurasjon," sa Frances Hellman fra University of California, Berkeley, "som bare ikke eksisterer i et krystallinsk materiale."
Selv om atomene eller molekylene er for innebygd av naboene til å bytte mye på egenhånd, aktiverer varme to-nivåsystemene ved romtemperatur, og gir atomene energien de trenger for å stokke rundt. Denne aktiviteten avtar når glassets temperatur synker. Men nær absolutt null blir kvanteeffekter viktige: Grupper av atomer i glasset kan kvantemekanisk "tunnelere" mellom de alternative konfigurasjonene, passere rett gjennom alle hindringer, og til og med okkupere begge nivåene i to-nivåsystemet samtidig. Tunneleringen absorberer mye varme, og produserer glassets karakteristiske høye varmekapasitet.
Flere år etter at Ediger fant ut hvordan man kan lage ultrastabilt glass, satte Hellmans gruppe på Berkeley og Ramos i Madrid uavhengig av hverandre for å undersøke om den kunne avvike fra den universelle varmekapasiteten nær absolutt null. I deres de eksperimenter, undersøkte de lavtemperaturegenskapene til ultrastabilt silisium og ultrastabilt indometacin (et kjemikalie som også brukes som et antiinflammatorisk stoff). Riktig nok fant de ut at begge glassene hadde langt lavere varmekapasitet enn vanlig nær absolutt null, på linje med en krystall. Dette antydet at ultrastabilt glass har færre to-nivåsystemer å tunnelere mellom. Molekylene er i spesielt tette konfigurasjoner med få konkurrenter.
Hvis ultrastabile glass eksepsjonelt lave varmekapasitet virkelig kommer fra å ha færre to-nivå systemer, så tilsvarer ideelt glass naturligvis tilstanden uten to-nivå systemer i det hele tatt. "Det er bare perfekt, på en eller annen måte, plassert der alle atomene er uordnet - det har ikke en krystallstruktur - men det er ingenting som beveger seg i det hele tatt," sa David Reichman, en teoretiker ved Columbia University.
Videre kan driften mot denne tilstanden av perfekt langdistanse amorf orden, der hvert molekyl påvirker posisjonene til alle andre, være det som får væsker til å stivne inn i glasset vi ser (og ser gjennom) rundt oss.
I dette nye bildet, når en væske blir til et glass, prøver den faktisk å gå over til den ideelle glassfasen, trukket av en grunnleggende trekk mot lang rekkevidde. Det ideelle glasset er endepunktet, sa Royall, men når molekylene prøver å trenge seg tettere sammen, setter de seg fast; den økende viskositeten forhindrer at systemet noen gang når ønsket tilstand.
Nylig ble banebrytende datasimuleringer brukt for å teste disse ideene. Simulering av ultrastabilt glass på en datamaskin pleide å være umulig på grunn av den ekstraordinære datatiden som kreves for at de simulerte molekylene skal samles. For to år siden fant Berthier imidlertid et triks som gjorde at han kunne fremskynde prosessen med en faktor på 1 billion. Algoritmen hans plukker ut to partikler tilfeldig og bytter posisjonene deres. Disse shake-ups hjelper den simulerte væsken til å holde seg løs, slik at molekyler kan sette seg i tettere passform – akkurat som muligheten til å bytte ut to dårlig tilpassede former ville hjelpe i Tetris.
I et papir som er under vurdering for publisering i Physical Review Letters, Berthier, Scalliet, Reichman og to medforfattere rapporterte at jo mer stabilt det simulerte glasset er, jo færre to-nivåsystemer har det. Som med Hellmans og Ramos' varmekapasitetsmålinger, antyder datasimuleringene at to-nivåsystemer - konkurrerende konfigurasjoner av grupper av molekyler - er kilden til glassets entropi. Jo færre av disse alternative tilstandene det er, jo mer stabilitet og lang rekkevidde har et amorft fast stoff, og jo nærmere det ideelle er det.
Teoretikerne Vassiliy Lubchenko fra University of Houston og Peter Wolynes fra Rice University foreslått tilbake i 2007 at ideelt glass ikke skulle ha to-nivå systemer. "Jeg er ganske fornøyd med Berthiers resultat," sa Wolynes på e-post.
Men så er det rav.
Ramos og hans samarbeidspartnere publiserte sine sammenligninger av gamle og "foryngede" prøver av det gule glasset i Physical Review Letters i 2014. De fant at det 110 millioner år gamle ravet hadde vokst seg rundt 2 prosent tettere, på linje med ultrastabilt glass. Dette skulle tyde på at rav faktisk hadde stabilisert seg over tid, da små grupper av molekyler gled, en etter en, inn i lavere energiarrangementer.
Men da Madrid-teamet avkjølte det eldgamle glasset nesten til absolutt null og målte varmekapasiteten, fortalte resultatene en annen historie. Det gamle ravet hadde samme høye varmekapasitet som nytt rav – og alt annet vanlig glass. Molekylene så ut til å tunnelere mellom like mange to-nivåsystemer som vanlig.
Hvorfor falt ikke antallet to-nivåsystemer over tid ettersom ravet stabiliserte seg og ble tettere? Funnene stemmer ikke.
"Jeg liker eksperimentene på rav, men å lage et ravgult glass er en slags rotete prosess," sa Ediger, opphavsmannen til dampavsetningsmetoden. "Det er i utgangspunktet tresaft som over tid kjemisk forandrer seg og stivner i tillegg til å eldes." Han tror urenheter i det spanske rav kan ha tilsølt varmekapasitetsmålingene.
Forskere planlegger å gjøre ytterligere eksperimenter på rav, så vel som laboratorielaget og simulert glass, i håp om å avdekke flere detaljer om to-nivå systemer og for å komme nærmere den antatte ideelle tilstanden. Reichman bemerket at det kanskje aldri vil være mulig å bevise dens eksistens med fullstendig sikkerhet. "Kanskje en dag vil vi vite, i det minste på datamaskinen, hvordan vi nøyaktig pakker partikler på en måte som ville være det ideelle glasset vi leter etter," sa han. "Men vi må da vente veldig lenge - for lenge - for å se om det forblir stabilt."
Redaktørens merknad: Ludovic Berthier og David Reichman har mottatt finansiering fra Simons Foundation, som også støtter Quanta, an redaksjonell uavhengig publikasjon. Simons Foundation-finansiering spiller ingen rolle i dekningen deres.
Opprinnelig historie gjengitt med tillatelse fra Quanta Magazine, en redaksjonelt uavhengig publikasjon av Simons Foundation hvis oppgave er å styrke den offentlige forståelsen av vitenskapen ved å dekke forskningsprosesser og trender innen matematikk og fysikk og biovitenskap.
Les mer: https://www.wired.com/story/physicists-chip-away-at-a-mystery-why-does-glass-exist/
