W 2008 r. Miguel Ramos przeczytał w gazecie, że bursztyn liczący 110 milionów lat z nieskazitelnymi owadami mezozoicznymi został odkryty kilka godzin jazdy od Madrytu, gdzie mieszkał. Fizyk specjalizujący się w szkle, Ramos od lat chciał zdobyć starożytny bursztyn. Skontaktował się z paleontologami pracującymi na miejscu, którzy zaprosili go do odwiedzenia.
Oryginalna historia przedrukowano za zgodą Magazyn Quanta, niezależna edytorsko publikacja Fundacja Simonsa którego misją jest zwiększenie zrozumienia nauki przez społeczeństwo poprzez omówienie rozwoju badań i trendów w matematyce oraz naukach fizycznych i przyrodniczych.
„Dostarczyli mi jasne próbki, które nie są dla nich dobre” - powiedział. „Nie mają żadnych interesujących owadów czy czegoś takiego… ale są dla mnie idealne”.
Ramos spędził następne kilka lat z przerwami na pomiarach starożytnego szkła. Miał nadzieję, że skamieniała żywica drzewna, po tak długim starzeniu, może zbliżyć się do hipotetycznej formy materii znanej jako idealne szkło.
Fizycy od dziesięcioleci marzyli o tej doskonałej amorficznej bryle. Pragną szkła idealnego nie tyle dla niego samego (choć miałoby ono wyjątkowe, użyteczne właściwości), ale dlatego, że jego istnienie rozwiązałoby głęboką zagadkę. To tajemnica, jaką stawia każde okno i lustro, każdy kawałek plastiku i twardy cukierek, a nawet cytoplazma, która wypełnia każdą komórkę. Wszystkie te materiały są technicznie szkłem, ponieważ szkło to wszystko, co jest stałe i sztywne, ale składa się z nieuporządkowanych cząsteczek, takich jak te w cieczy. Szkło jest cieczą o zawieszonej animacji, cieczą, której cząsteczki dziwnie nie mogą płynąć. Idealne szkło, jeśli istnieje, powiedziałoby nam dlaczego.
Niewygodne, aby powstało idealne szkło, trwało tak długo, że mogło nie być tak w całej kosmicznej historii. Fizycy mogą poszukiwać jedynie pośrednich dowodów, które przy nieograniczonym czasie byłyby możliwe. Ramos, fizyk doświadczalny na Uniwersytecie Autonomicznym w Madrycie, miał nadzieję, że po 110 milionach lat starzenia hiszpański bursztyn mógł zacząć wykazywać iskierkę doskonałości. Jeśli tak, wiedziałby, co naprawdę robią cząsteczki w zwykłym szkle, kiedy wydają się nic nie robić.
Pomiary bursztynu Ramosa są częścią wzrostu zainteresowania idealnym szkłem. W ciągu ostatnich kilku lat nowe metody wytwarzania szkła i symulowania go na komputerach doprowadziły do nieoczekiwanego postępu. Pojawiły się główne wskazówki dotyczące natury idealnego szkła i jego związku ze zwykłym szkłem. „Badania te ponownie potwierdzają hipotezę o istnieniu stanu idealnego szkła” - powiedział Ludovic Berthier, fizyk z Uniwersytetu w Montpellier, który był centralnie zaangażowany w ostatnie symulacje komputerowe.
Ale pojawiający się obraz idealnego szkła ma sens tylko wtedy, gdy odłożymy na bok jeden dowód.
„Rzeczywiście” - powiedział Berthier - „praca z bursztynem wyróżnia się jako trudna do zracjonalizowania”.
Po schłodzeniu ciecz skrystalizuje się lub stwardnieje w szkło. To, które z tych dwóch zachodzi, zależy od substancji i subtelności procesu, którego dmuchacze szkła nauczyli się metodą prób i błędów przez tysiące lat. „Unikanie krystalizacji to mroczna sztuka” - powiedział Paddy Royall, fizyk szkła z Uniwersytetu w Bristolu w Wielkiej Brytanii.
Dwie opcje różnią się znacznie.
Krystalizacja to radykalne przejście z fazy ciekłej, w której cząsteczki są nieuporządkowane i swobodnie płyną, do fazy krystalicznej, w której cząsteczki są zablokowane w regularnym, powtarzającym się wzorze. Na przykład woda zamarza w lód w temperaturze zero stopni Celsjusza, ponieważ cząsteczki H2O przestają się kołysać na tyle w tej temperaturze, aby poczuć swoje siły i wpaść w blokadę.
Inne płyny po schłodzeniu łatwiej stają się szkłem. Na przykład krzemionka - szkło okienne - zaczyna się jako stopiona ciecz znacznie powyżej 1,000 stopni Celsjusza; gdy się ochładza, jego nieuporządkowane cząsteczki lekko kurczą się, zbierając się nieco bliżej siebie, co powoduje, że ciecz staje się coraz lepsza. W końcu cząsteczki całkowicie przestają się poruszać. Podczas tego stopniowego przejścia szklistego cząsteczki nie ulegają reorganizacji. Po prostu się zatrzymują.
Nie wiadomo dokładnie, dlaczego ciecz chłodząca twardnieje. Gdyby cząsteczki w szkle były po prostu zbyt zimne, aby mogły płynąć, nadal powinno być możliwe zgniecenie ich w nowy układ. Ale szkło nie zgniata; jego pomieszane cząsteczki są naprawdę sztywne, mimo że wyglądają tak samo jak cząsteczki w cieczy. „Płyn i szkło mają tę samą strukturę, ale zachowują się inaczej” - mówi Camille Scalliet, teoretyk szkła z University of Cambridge. „Zrozumienie tego jest głównym pytaniem”.
Wskazówka pojawiła się w 1948 r., Kiedy młody chemik Walter Kauzmann zauważyłem coś, co stało się znane jako kryzys entropii, szklisty paradoks, który później naukowcy zrozumieli, że idealne szkło może rozwiązać.
Kauzmann wiedział, że im wolniej chłodzi się ciecz, tym bardziej można ją schłodzić, zanim zamieni się w szklankę. Wolniej formowane szkło staje się gęstsze i bardziej stabilne, ponieważ jego cząsteczki musiały dłużej się tasować (podczas gdy ciecz była nadal lepka) i znaleźć ciaśniejsze układy o niższej energii. Pomiary wskazały na odpowiednie zmniejszenie entropii, czyli zaburzenia, w wolniej formowanym szkle - mniej sposobów na ułożenie jego cząsteczek przy tej samej niskiej energii.
Ekstrapolując ten trend, Kauzmann zdał sobie sprawę, że jeśli można wystarczająco wolno schłodzić ciecz, można ją schłodzić aż do temperatury znanej teraz jako temperatura Kauzmanna, zanim całkowicie się stwardnieje. W tej temperaturze powstałe szkło miałoby entropię tak niską jak kryształ. Ale kryształy są schludnymi, uporządkowanymi strukturami. Jak szkło nieuporządkowane z definicji może mieć równy porządek?
Żadne zwykłe szkło nie mogło, co oznaczało, że w temperaturze Kauzmanna musi się wydarzyć coś wyjątkowego. Kryzysu można by uniknąć, gdyby ciecz po osiągnięciu tej temperatury osiągnęła stan idealnego szkła - najgęstszego możliwego losowego upakowania cząsteczek. Taki stan wykazywałby „amorficzny porządek dalekiego zasięgu”, w którym każda cząsteczka czuje i wpływa na pozycję każdej innej, tak że aby się poruszać, muszą poruszać się jako jedna. Ukryty porządek dalekiego zasięgu tego domniemanego stanu może konkurować z bardziej oczywistym uporządkowaniem kryształu. „Ta obserwacja leżała u podstaw tego, dlaczego ludzie myśleli, że powinno być idealne szkło” - powiedział Mark Ediger, fizyk chemiczny z University of Wisconsin w Madison.
Zgodnie z tą teorią, po raz pierwszy wysuniętą przez Juliana Gibbsa i Edmunda DiMarzio w 1958 r., Idealne szkło jest prawdziwą fazą materii, podobną do fazy ciekłej i krystalicznej. Przejście do tej fazy trwa po prostu zbyt długo i wymaga zbyt powolnego procesu chłodzenia, aby naukowcy kiedykolwiek mogli to zobaczyć. Przemiana idealnego szkła jest „zamaskowana”, powiedział Daniel Stein, fizyk materii skondensowanej z New York University, ponieważ ciecz stała się „tak lepka, że wszystko zostaje zatrzymane”.
„To trochę jak ciemne patrzenie przez szybę” - powiedział Stein. „Nie możemy dostać się do [idealnego szkła] ani go zobaczyć. Ale teoretycznie możemy spróbować stworzyć dokładne modele tego, co się tam dzieje ”.
Nieoczekiwana pomoc nadeszła dzięki eksperymentom. Nigdy nie było żadnej nadziei na stworzenie idealnego szkła przez schłodzenie płynu, metodę wytwarzania szkła, którą ludzie stosowali od tysiącleci. Trzeba by było niewiarygodnie wolno schładzać ciecz - a może nawet nieskończenie wolno - aby nie stwardniała, zanim osiągnie temperaturę Kauzmanna. Jednak w 2007 roku Ediger, fizyk z Wisconsin, opracował nową metodę produkcji szkła. „Doszliśmy do wniosku, że istnieje inny sposób wytwarzania szkieł o dużej gęstości i zbliżonych do idealnego stanu, przy zastosowaniu zupełnie innej drogi” - powiedział.
Ediger i jego zespół odkryli, że mogą stworzyć „ultra-stabilne okulary”, które istnieją gdzieś pomiędzy zwykłym a idealnym. Korzystając z metody zwanej osadzaniem z fazy gazowej, upuszczali cząsteczki jedna po drugiej na powierzchnię, jakby grali w Tetrisa, pozwalając każdej cząsteczce osiąść i dopasować się do formującego się szkła, zanim następna cząsteczka opadnie. Powstałe szkło było gęstsze, bardziej stabilne i miało mniejszą entropię niż wszystkie szkła w historii ludzkości. „Te materiały mają właściwości, których można by się spodziewać, jeśli wziąć płyn i schłodzić go w ciągu miliona lat” - powiedział Ediger.
Kolejna właściwość ultra-stabilnego szkła ostatecznie ujawniłaby najbardziej obiecującą mapę drogową do idealnego szkła.
Dwie grupy, z których jedną kierował Miguel Ramos w Madrycie, zidentyfikowały tę właściwość w 2014 r., Kiedy odkryły, że ultra stabilne szkło odbiega od uniwersalnej cechy wszystkich zwykłych szyb.
Fizycy od dziesięcioleci wiedzą, że ultra-zimne szkło ma wysoką pojemność cieplną - ilość ciepła potrzebną do podniesienia jego temperatury. Szkło może przyjąć znacznie więcej ciepła niż kryształ w pobliżu zera absolutnego, a pojemność cieplna jest wprost proporcjonalna do temperatury.
Teoretycy, w tym Phil Anderson, czczony laureat Nagrody Nobla, fizyk materii skondensowanej, zasugerował wyjaśnienie we wczesnych latach siedemdziesiątych. Twierdzili, że szkło zawiera wiele „dwupoziomowych układów”, małych skupisk atomów lub cząsteczek, które mogą przesuwać się tam iz powrotem między dwiema alternatywnymi, równie stabilnymi konfiguracjami. „Można sobie wyobrazić, że cała masa atomów przechodzi z jednej konfiguracji w bardzo nieznacznie inną konfigurację” - mówi Frances Hellman z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley - „która po prostu nie istnieje w materiale krystalicznym”.
Chociaż atomy lub cząsteczki są zbyt zamknięte przez sąsiadów, aby dokonać wielu przełączeń samodzielnie, w temperaturze pokojowej ciepło aktywuje układy dwupoziomowe, zapewniając atomom energię potrzebną do przemieszczania się. Ta aktywność maleje wraz ze spadkiem temperatury szkła. Jednak w pobliżu zera absolutnego ważne stają się efekty kwantowe: grupy atomów w szkle mogą kwantowo mechanicznie „tunelować” między alternatywnymi konfiguracjami, przechodząc przez wszelkie przeszkody, a nawet zajmować oba poziomy układu dwupoziomowego jednocześnie. Tunelowanie pochłania dużo ciepła, dzięki czemu szkło ma charakterystyczną wysoką pojemność cieplną.
Kilka lat po tym, jak Ediger zorientował się, jak wytwarzać ultrastabilne szkło, grupa Hellmana w Berkeley i Ramos w Madrycie niezależnie rozpoczęła badanie, czy może ono odbiegać od tej uniwersalnej pojemności cieplnej w pobliżu zera absolutnego. W ich osób eksperymentyzbadali właściwości ultra stabilnego krzemu i ultra stabilnej indometacyny (substancji chemicznej, która jest również stosowana jako lek przeciwzapalny) w niskich temperaturach. Rzeczywiście, odkryli, że oba szkła mają znacznie niższą pojemność cieplną niż zwykle, blisko zera absolutnego, zgodnie z kryształem. Sugerowało to, że ultrastabilne szkło ma mniej dwupoziomowych systemów do tunelowania. Cząsteczki są w szczególnie dopasowanych konfiguracjach z kilkoma konkurentami.
Jeśli wyjątkowo niska pojemność cieplna ultrastabilnego szkła rzeczywiście wynika z posiadania mniejszej liczby systemów dwupoziomowych, to idealne szkło w naturalny sposób odpowiada stanowi, w którym nie ma w ogóle systemów dwupoziomowych. „Jest po prostu idealnie, w jakiś sposób, umieszczony tam, gdzie wszystkie atomy są nieuporządkowane - nie ma struktury krystalicznej - ale w ogóle nic się nie porusza” - powiedział David Reichman, teoretyk z Columbia University.
Co więcej, dążenie do stanu doskonałego bezpostaciowego porządku dalekiego zasięgu, w którym każda cząsteczka wpływa na pozycje wszystkich innych, może być przyczyną twardnienia cieczy w szkle, które widzimy (i widzimy) wokół nas.
Na tym wyłaniającym się obrazie, kiedy ciecz staje się szkłem, w rzeczywistości próbuje przejść do fazy idealnego szkła, pociągniętą przez fundamentalne przyciąganie w kierunku porządku dalekiego zasięgu. Idealne szkło jest punktem końcowym, powiedział Royall, ale gdy cząsteczki próbują się zbliżyć do siebie, utkną; rosnąca lepkość uniemożliwia systemowi osiągnięcie pożądanego stanu.
Niedawno do przetestowania tych pomysłów wykorzystano przełomowe symulacje komputerowe. Symulacja ultrastabilnego szkła na komputerze była niegdyś niewykonalna ze względu na niezwykły czas obliczeniowy wymagany do zgromadzenia się symulowanych cząsteczek. Jednak dwa lata temu Berthier znalazł sztuczkę, która pozwoliła mu przyspieszyć ten proces nawet o 1 bilion. Jego algorytm wybiera losowo dwie cząstki i zamienia ich pozycjami. Te wstrząsy pomagają symulowanej cieczy nie utknąć, umożliwiając cząsteczkom osiadanie w ciasnych pasowaniach - tak jak w Tetris pomogłaby możliwość zamiany dwóch źle dopasowanych kształtów.
W gazecie który jest sprawdzany pod kątem publikacji w Physical Review Letters, Berthier, Scalliet, Reichman i dwóch współautorów podało, że im bardziej stabilne jest symulowane szkło, tym mniej ma dwupoziomowych systemów. Podobnie jak w przypadku pomiarów pojemności cieplnej Hellmana i Ramosa, symulacje komputerowe sugerują, że układy dwupoziomowe - konkurujące konfiguracje grup cząsteczek - są źródłem entropii szkła. Im mniej jest tych stanów alternatywnych, tym większą stabilność i porządek dalekiego zasięgu ma amorficzne ciało stałe i tym bliżej jest do ideału.
Teoretycy Vassiliy Lubchenko z University of Houston i Peter Wolynes z Rice University zasugerował jeszcze w 2007 roku idealne szkło nie powinno mieć systemów dwupoziomowych. „Jestem bardzo zadowolony z wyniku Berthiera” - powiedział Wolynes w e-mailu.
Ale jest jeszcze ten bursztyn.
Ramos i jego współpracownicy opublikowali w nim porównania starych i „odmłodzonych” próbek żółtego szkła Physical Review Letters w 2014 r. Okazało się, że bursztyn liczący 110 milionów lat urósł o około 2 procent bardziej gęsto, zgodnie z ultra stabilnym szkłem. To powinno sugerować, że bursztyn rzeczywiście ustabilizował się w czasie, gdy małe grupy cząsteczek wsuwały się jeden po drugim w układy o niższej energii.
Ale kiedy zespół z Madrytu schłodził starożytne szkło prawie do zera absolutnego i zmierzył jego pojemność cieplną, wyniki pokazały inną historię. Postarzany bursztyn miał taką samą wysoką pojemność cieplną jak nowy bursztyn - i wszystkie inne zwykłe szkło. Jego cząsteczki wydawały się tunelować między tak wieloma układami dwupoziomowymi jak zwykle.
Dlaczego liczba systemów dwupoziomowych nie spadła w czasie, gdy bursztyn ustabilizował się i stał się gęstszy? Wyniki nie pasują.
„Bardzo lubię eksperymenty z bursztynem, ale robienie bursztynowego szkła to trochę bałaganiarski proces” - powiedział Ediger, pomysłodawca metody naparowywania. „To w zasadzie sok drzewny, który z biegiem czasu zmienia się chemicznie i zestala, a także starzeje”. Uważa, że zanieczyszczenia w bursztynie hiszpańskim mogły zepsuć pomiary pojemności cieplnej.
Naukowcy planują dalsze eksperymenty na bursztynie, a także szkle wykonanym w laboratorium i symulowanym, mając nadzieję na odkrycie większej liczby szczegółów systemów dwupoziomowych i zbliżenie się do domniemanego stanu idealnego. Reichman zauważył, że nigdy nie da się udowodnić jego istnienia z całkowitą pewnością. „Może kiedyś dowiemy się, przynajmniej na komputerze, jak precyzyjnie pakować cząsteczki w taki sposób, aby było to idealne szkło, jakiego szukamy” - powiedział. „Ale musielibyśmy wtedy czekać bardzo długo - zbyt długo - aby zobaczyć, czy pozostanie stabilny”.
Od redakcji: Ludovic Berthier i David Reichman otrzymali fundusze od Fundacja Simonsa, który obsługuje również Quanta, an niezależna od wydawnictwa publikacja. Fundacja Simonsa nie odgrywa żadnej roli w ich zasięgu.
Oryginalna historia przedrukowano za zgodą Magazyn Quanta, wydawniczo niezależna publikacja Fundacja Simonsa którego misją jest zwiększenie publicznego zrozumienia nauki poprzez uwzględnienie rozwoju badań i trendów w matematyce oraz naukach przyrodniczych i przyrodniczych.
Czytaj więcej: https://www.wired.com/story/physicists-chip-away-at-a-mystery-why-does-glass-exist/
