În 2008, Miguel Ramos a citit în ziar că chihlimbarul vechi de 110 milioane de ani purtând insecte mezozoice curate a fost descoperit la câteva ore de mers cu mașina de Madrid, unde locuia. Un fizician specializat în sticlă, Ramos își dorea de ani de zile să pună mâna pe chihlimbarul antic. El a luat legătura cu paleontologii care lucrează la locul respectiv, care l-au invitat să viziteze.
Poveste originală retipărită cu permisiunea Revista Quanta, o publicație editorială independentă a Fundația Simons a cărei misiune este de a îmbunătăți înțelegerea publică a științei prin acoperirea evoluțiilor și tendințelor cercetării în matematică și științele fizice și ale vieții.
„Mi-au oferit probe clare care nu le sunt bune”, a spus el. "Nu au insecte interesante sau altceva ... dar sunt perfecte pentru mine."
Ramos a petrecut următorii câțiva ani lucrând intermitent la măsurători ale sticlei antice. El spera că rășina copacului fosilizat, după ce a îmbătrânit atât de mult timp, ar putea aborda o formă ipotetică a materiei cunoscută sub numele de sticlă ideală.
De zeci de ani, fizicienii au visat la acest solid amorf perfect. Ei doresc sticla ideală nu atât pentru sine (deși ar avea proprietăți unice, utile), ci pentru că existența sa ar rezolva un mister profund. Este misterul reprezentat de fiecare fereastră și oglindă, fiecare bucată de plastic și bomboane tari și chiar citoplasma care umple fiecare celulă. Toate aceste materiale sunt din sticlă din punct de vedere tehnic, deoarece sticla este tot ceea ce este solid și rigid, dar este format din molecule dezordonate, precum cele dintr-un lichid. Sticla este un lichid în animație suspendată, un lichid ale cărui molecule, curios, nu pot curge. Sticla ideală, dacă există, ne-ar spune de ce.
În mod inconvenient, sticla ideală ar dura atât de mult până s-ar putea să nu o fi făcut în toată istoria cosmică. Fizicienii pot căuta doar dovezi indirecte pe care, dat fiind un timp nelimitat, ar fi. Ramos, fizician experimental la Universitatea Autonomă din Madrid, a sperat că după 110 milioane de ani de îmbătrânire, chihlimbarul spaniol ar fi putut începe să arate strălucirea perfecțiunii. Dacă da, el ar ști ce fac moleculele din sticlă obișnuită atunci când par să nu facă nimic.
Măsurătorile de chihlimbar ale lui Ramos fac parte dintr-un val de interes pentru sticla ideală. În ultimii ani, noile metode de fabricare a sticlei și simularea acesteia pe computere au dus la progrese neașteptate. Au apărut indicii majore despre natura sticlei ideale și legătura acesteia cu sticla obișnuită. „Aceste studii oferă un sprijin reînnoit pentru ipoteza existenței unei stări de sticlă ideală”, a spus Ludovic Berthier, fizician la Universitatea din Montpellier, care a fost implicat central în simulările recente pe computer.
Dar imaginea emergentă a sticlei ideale nu are sens decât dacă facem deoparte o dovadă.
„Într-adevăr”, a spus Berthier, „lucrarea de chihlimbar se remarcă ca fiind dificil de raționalizat”.
Când răciți un lichid, acesta se va cristaliza sau se va întări în sticlă. Care dintre cele două se întâmplă depinde de substanța și de subtilitățile procesului pe care suflanii de sticlă au învățat-o prin încercări și erori de-a lungul a mii de ani. „Evitarea cristalizării este o artă întunecată”, a spus Paddy Royall, fizician de sticlă la Universitatea din Bristol din Regatul Unit.
Cele două opțiuni diferă foarte mult.
Cristalizarea este un comutator dramatic de la faza lichidă, în care moleculele sunt dezordonate și curg libere, la faza cristalină, în care moleculele sunt blocate într-un model regulat, care se repetă. Apa îngheață în gheață la zero grade Celsius, de exemplu, deoarece moleculele H2O încetează să se miște în jurul valorii de suficient la temperatura respectivă pentru a simți forțele celuilalt și a cădea în pas.
Alte lichide, când sunt răcite, devin mai ușor sticle. Silica, de exemplu - sticla ferestrei - începe ca un lichid topit cu mult peste 1,000 de grade Celsius; pe măsură ce se răcește, moleculele sale dezordonate se contractă ușor, aglomerându-se puțin mai aproape, ceea ce face ca lichidul să devină din ce în ce mai vâscos. În cele din urmă, moleculele încetează să se mai miște. În această tranziție graduală a sticlei, moleculele nu se reorganizează. Pur și simplu se opresc.
Exact de ce se întărește lichidul de răcire rămâne necunoscut. Dacă moleculele din sticlă erau pur și simplu prea reci pentru a curge, ar trebui să fie posibil să le strângeți în noi aranjamente. Dar sticla nu se strecoară; moleculele sale amestecate sunt cu adevărat rigide, deși arată la fel ca moleculele dintr-un lichid. „Lichidul și sticla au aceeași structură, dar se comportă diferit”, a spus Camille Scalliet, teoretician al sticlei de la Universitatea din Cambridge. „Înțelegerea asta este principala întrebare.”
Un indiciu a venit în 1948, când un tânăr chimist pe nume Walter Kauzmann a observat ceea ce a devenit cunoscut sub numele de criza de entropie, un paradox sticlos pe care ulterior cercetătorii și-au dat seama că sticla ideală poate rezolva.
Kauzmann știa că, cu cât răcorești mai încet un lichid, cu atât îl poți răci mai mult înainte de a trece în sticlă. Și sticla cu formare mai lentă ajunge să fie mai densă și mai stabilă, deoarece moleculele sale trebuiau să se amestece mai mult timp (în timp ce lichidul era încă vâscos) și găseau aranjamente mai strânse, cu energie mai mică. Măsurătorile au indicat o reducere corespunzătoare a entropiei sau tulburării sticlei cu formare mai lentă - mai puține moduri în care moleculele sale ar putea fi aranjate cu aceeași energie redusă.
Extrapolând tendința, Kauzmann și-a dat seama că dacă puteți răci un lichid suficient de lent, îl puteți răci până la o temperatură cunoscută acum ca temperatura Kauzmann înainte de a se întări pe deplin. La această temperatură, sticla rezultată ar avea o entropie la fel de scăzută ca cea a unui cristal. Dar cristalele sunt structuri îngrijite și ordonate. Cum ar putea sticla, dezordonată prin definiție, să posede o ordine egală?
Nicio sticlă obișnuită nu putea, ceea ce implica faptul că ceva special trebuie să se întâmple la temperatura Kauzmann. Criza ar fi evitată dacă un lichid, la atingerea acestei temperaturi, ar atinge starea ideală de sticlă - cel mai dens ambalaj aleatoriu posibil de molecule. O astfel de stare ar prezenta „ordinea amorfă pe termen lung”, în care fiecare moleculă simte și afectează poziția fiecăruia, astfel încât, pentru a se mișca, trebuie să se miște ca una singură. Ordinea ascunsă pe termen lung a acestei putative stări ar putea rivaliza cu ordinea mai evidentă a unui cristal. „Această observație chiar acolo se afla în centrul motivului pentru care oamenii credeau că ar trebui să existe un pahar ideal”, a spus Mark Ediger, fizician chimic la Universitatea din Wisconsin, Madison.
Conform acestei teorii, avansată pentru prima dată de Julian Gibbs și Edmund DiMarzio în 1958, sticla ideală este o adevărată fază a materiei, asemănătoare fazelor lichide și cristaline. Trecerea la această fază durează prea mult, necesitând un proces de răcire prea lent, pentru ca oamenii de știință să poată vedea vreodată. Tranziția ideală pentru sticlă este „mascată”, a spus Daniel Stein, fizician în materie condensată la Universitatea din New York, lichidul devenind „atât de vâscos încât totul este arestat”.
„Este ca și cum ai privi întunecat un pahar,” a spus Stein. „Nu putem ajunge la [sticla ideală] sau să o vedem. Dar teoretic putem încerca să creăm modele exacte ale a ceea ce se întâmplă acolo. ”
Ajutorul neașteptat a venit din experimente. Nu a existat niciodată nicio speranță de a forma sticlă ideală prin răcirea unui lichid, metoda de fabricare a sticlei pe care oamenii o folosesc de milenii. Trebuie să răciți un lichid imposibil de încet - poate chiar infinit de încet - pentru a nu-l întări înainte de a atinge temperatura Kauzmann. Dar în 2007, Ediger, fizicianul din Wisconsin, a dezvoltat o nouă metodă a fabricării sticlei. „Ne-am gândit că există o altă modalitate de a face ochelari cu densitate mare și apropiați de starea ideală de sticlă printr-o cale complet diferită”, a spus el.
Ediger și echipa sa au descoperit că ar putea crea „ochelari ultra-stabili” care există într-o stare undeva între obișnuit și ideal. Folosind o metodă numită depunere cu vapori, au scăpat moleculele una câte una pe o suprafață, ca și cum ar juca Tetris, permițând fiecărei molecule să se așeze în cea mai bună potrivire din sticla de formare înainte ca următoarea moleculă să coboare. Sticla rezultată a fost mai densă, mai stabilă și cu entropie mai mică decât toate paharele de-a lungul istoriei umane. „Aceste materiale au proprietățile la care v-ați aștepta dacă ați lua un lichid și l-ați răcit în decursul unui milion de ani”, a spus Ediger.
O altă proprietate a sticlei ultra-stabile ar dezvălui în cele din urmă cea mai promițătoare hartă rutieră către sticla ideală.
Două grupuri, una dintre ele condusă de Miguel Ramos la Madrid, au identificat această proprietate în 2014, când au descoperit că sticla ultra-stabilă pleacă de la o caracteristică universală a tuturor sticlei obișnuite.
Fizicienii știu de zeci de ani că sticla ultra-rece are o capacitate termică ridicată - cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii sale. Sticla poate suporta mult mai multă căldură decât un cristal aproape de zero absolut, cu o capacitate de căldură direct proporțională cu temperatura.
Teoreticieni incluzând Phil Anderson, reverendul fizician al materiei condensate câștigător al Premiului Nobel, a sugerat o explicație la începutul anilor '1970. Ei au susținut că sticla conține multe „sisteme pe două niveluri”, mici grupuri de atomi sau molecule care pot aluneca înainte și înapoi între două configurații alternative, la fel de stabile. „Vă puteți imagina o grămadă întreagă de atomi care trec de la o configurație la o configurație ușor diferită”, a spus Frances Hellman de la Universitatea din California, Berkeley, „care pur și simplu nu există într-un material cristalin”.
Deși atomii sau moleculele sunt prea încastrate de către vecinii lor pentru a face schimbări pe cont propriu, la temperatura camerei, căldura activează sistemele pe două niveluri, oferind atomilor energia de care au nevoie pentru a se amesteca. Această activitate se diminuează pe măsură ce temperatura paharului scade. Dar aproape de zero absolut, efectele cuantice devin importante: grupurile de atomi din sticlă pot „tunela” cuantic între configurațiile alternative, trecând direct prin orice obstacole și chiar ocupând ambele niveluri ale sistemului cu două niveluri simultan. Tunelarea absoarbe multă căldură, producând capacitatea termică ridicată caracteristică a sticlei.
La câțiva ani după ce Ediger a aflat cum să producă sticlă ultra-stabilă, grupul lui Hellman de la Berkeley și Ramos din Madrid și-a propus să studieze în mod independent dacă s-ar putea îndepărta de acea capacitate de căldură universală aproape de zero absolut. În lor respectiv experimente, au cercetat proprietățile la temperatură scăzută ale siliciului ultra-stabil și ale indometacinei ultra-stabile (o substanță chimică utilizată și ca medicament antiinflamator). Destul de sigur, au descoperit că ambele pahare au o capacitate de căldură mult mai mică decât de obicei, aproape de zero absolut, în conformitate cu cristalul. Acest lucru a sugerat că sticla ultra-stabilă are mai puține sisteme pe două niveluri între care să tuneleze. Moleculele sunt în configurații deosebit de strânse, cu puțini concurenți.
Dacă capacitatea termică extrem de scăzută a sticlei ultra-stabile vine cu adevărat din faptul că există mai puține sisteme pe două nivele, atunci sticla ideală corespunde în mod natural stării fără niciun sistem pe două niveluri. „Este perfect, într-un fel, poziționat acolo unde toți atomii sunt dezordinați - nu are o structură cristalină - dar nu se mișcă deloc nimic”, a spus David Reichman, teoretician la Universitatea Columbia.
Mai mult, impulsul către această stare de ordine amorfă pe distanțe lungi perfecte, în care fiecare moleculă afectează pozițiile tuturor celorlalte, ar putea fi ceea ce face ca lichidele să se întărească în sticla pe care o vedem (și o vedem prin) în jurul nostru.
În această imagine emergentă, atunci când un lichid devine un pahar, de fapt încearcă să treacă la faza ideală de sticlă, atrasă de o atracție fundamentală către o ordine pe termen lung. Sticla ideală este punctul final, a spus Royall, dar pe măsură ce moleculele încearcă să se aglomereze, se blochează; vâscozitatea crescândă împiedică sistemul să ajungă vreodată la starea dorită.
Recent, au fost folosite simulări inovatoare pe computer pentru a testa aceste idei. Simularea sticlei ultra-stabile pe un computer obișnuia să fie imposibilă din cauza timpului extraordinar de calcul necesar pentru ca moleculele simulate să se adune. Cu doi ani în urmă, însă, Berthier a găsit un truc care i-a permis să grăbească procesul cu un factor de 1 trilion. Algoritmul său alege două particule la întâmplare și le schimbă pozițiile. Aceste scuturări ajută lichidul simulat să rămână dezlănțuit, permițând moleculelor să se așeze în snugger - așa cum capacitatea de a schimba două forme nepotrivite ar ajuta în Tetris.
Într-o hârtie care este în curs de examinare pentru publicare în Scrisori de recenzie fizică, Berthier, Scalliet, Reichman și doi co-autori au raportat că, cu cât este mai stabilă sticla simulată, cu atât mai puține sisteme pe două niveluri are. Ca și în cazul măsurătorilor de capacitate termică ale lui Hellman și Ramos, simulările pe computer sugerează că sistemele pe două niveluri - configurațiile concurente ale grupurilor de molecule - sunt sursa entropiei sticlei. Cu cât există mai puține dintre aceste stări alternative, cu atât mai multă stabilitate și ordine pe termen lung are un solid amorf și cu atât este mai aproape de ideal.
Teoreticienii Vassiliy Lubchenko de la Universitatea din Houston și Peter Wolynes de la Universitatea Rice sugerat în 2007, sticla ideală nu ar trebui să aibă sisteme pe două niveluri. "Sunt destul de mulțumit de rezultatul lui Berthier", a spus Wolynes prin e-mail.
Dar apoi există acel chihlimbar.
Ramos și colaboratorii săi și-au publicat comparațiile dintre probele vechi și „întinerite” de sticlă galbenă din Scrisori de recenzie fizică în 2014. Au descoperit că chihlimbarul în vârstă de 110 milioane de ani a crescut cu aproximativ 2% mai dens, în conformitate cu sticla ultra-stabilă. Acest lucru ar trebui să sugereze că chihlimbarul s-a stabilizat într-adevăr de-a lungul timpului, deoarece grupuri mici de molecule s-au alunecat, unul câte unul, în aranjamente cu energie mai mică.
Dar când echipa din Madrid a răcit sticla antică aproape la zero absolut și i-a măsurat capacitatea de căldură, rezultatele au spus o altă poveste. Chihlimbarul îmbătrânit avea aceeași capacitate termică mare ca și chihlimbarul nou - și toate celelalte sticle obișnuite. Moleculele sale păreau să facă tuneluri între tot atâtea sisteme pe două nivele, ca de obicei.
De ce nu a scăzut numărul sistemelor pe două niveluri în timp, pe măsură ce chihlimbarul s-a stabilizat și a devenit mai dens? Constatările nu se potrivesc.
„Îmi plac foarte mult experimentele pe chihlimbar, dar realizarea unui pahar de chihlimbar este un fel de proces dezordonat”, a spus Ediger, inițiatorul metodei de depunere a vaporilor. „În esență, seiful copacilor se schimbă și se solidifică chimic, precum și vârstele.” El crede că impuritățile din chihlimbarul spaniol ar fi putut murdări măsurătorile de capacitate termică.
Cercetătorii intenționează să facă experimente suplimentare pe chihlimbar, precum și pe sticlă fabricată în laborator și simulată, sperând să descopere mai multe detalii ale sistemelor pe două niveluri și să se apropie de starea ideală presupusă. Reichman a remarcat că nu ar putea fi niciodată posibil să-și dovedească existența cu certitudine deplină. „Poate într-o zi vom ști, cel puțin pe computer, cum să împachetăm cu precizie particulele într-un mod care să fie sticla ideală pe care o căutăm”, a spus el. „Dar atunci ar trebui să așteptăm foarte mult - prea mult - pentru a vedea dacă rămâne stabil."
Nota editorului: Ludovic Berthier și David Reichman au primit finanțare de la Fundația Simons, care susține și Quanta, an publicație independentă editorial. Finanțarea Fundației Simons nu joacă niciun rol în acoperirea lor.
Poveste originală retipărită cu permisiunea Revista Quanta, o publicație independentă editorială a Fundația Simons a cărui misiune este de a spori înțelegerea publică a științei, acoperind evoluțiile și tendințele cercetărilor din domeniul matematicii și al științelor fizice și ale vieții.
Citeşte mai mult: https://www.wired.com/story/physicists-chip-away-at-a-mystery-why-does-glass-exist/
