Namig je prišel leta 1948, ko je mlad kemik Walter Kauzmann opazili kar je postalo znano kot entropijska kriza, steklasti paradoks, za katerega so pozneje raziskovalci ugotovili, da bi ga idealno steklo lahko razrešilo.

Kauzmann je vedel, da počasneje ko ohlajate tekočino, bolj jo lahko ohladite, preden preide v steklo. In počasneje oblikovano steklo je na koncu gostejše in stabilnejše, ker so se morale njegove molekule dlje premikati (medtem ko je bila tekočina še vedno viskozna) in najti tesnejše, nižjeenergijske ureditve. Meritve so pokazale ustrezno zmanjšanje entropije ali nereda počasneje oblikovanega stekla – manj načinov, kako bi lahko njegove molekule uredili z enako nizko energijo.

Kauzmann je z ekstrapolacijo trenda ugotovil, da če lahko tekočino ohladite dovolj počasi, jo lahko ohladite vse do temperature, ki je zdaj znana kot Kauzmannova temperatura, preden se popolnoma strdi. Pri tej temperaturi bi imelo nastalo steklo tako nizko entropijo kot kristal. Toda kristali so čiste, urejene strukture. Kako bi lahko steklo, neurejeno po definiciji, imelo enak red?

Nobeno navadno steklo ni moglo, kar je pomenilo, da se mora pri Kauzmannovi temperaturi zgoditi nekaj posebnega. Krizi bi se izognili, če bi tekočina, ko bi dosegla to temperaturo, dosegla stanje idealnega stekla – najgostejše možno naključno pakiranje molekul. Takšno stanje bi kazalo "amorfni red na dolge razdalje", kjer vsaka molekula čuti in vpliva na položaj vsake druge, tako da se morajo premikati kot ena. Skriti daljnosežni red tega domnevnega stanja bi se lahko kosal z bolj očitno urejenostjo kristala. »Prav ta ugotovitev je bila v središču tega, zakaj so ljudje mislili, da bi moralo obstajati idealno steklo,« je dejal Mark Ediger, kemijski fizik na Univerzi Wisconsin v Madisonu.

Po tej teoriji, ki sta jo leta 1958 prva predstavila Julian Gibbs in Edmund DiMarzio, je idealno steklo prava faza snovi, podobna tekoči in kristalni fazi. Prehod v to fazo traja predolgo in zahteva prepočasen proces ohlajanja, da bi ga znanstveniki sploh lahko videli. Prehod med idealno steklo je "zamaskiran", je dejal Daniel Stein, fizik kondenzirane snovi na Univerzi v New Yorku, tako da tekočina postane "tako viskozna, da je vse ustavljeno."

"To je nekako tako, kot če bi mračno gledali skozi steklo," je dejal Stein. »Ne moremo priti do [idealnega stekla] ali ga videti. Toda teoretično lahko poskušamo ustvariti natančne modele tega, kar se tam dogaja.«

Nepričakovana pomoč je prišla s poskusi. Nikoli ni bilo nobenega upanja za oblikovanje idealnega stekla s hlajenjem tekočine, metodo izdelave stekla, ki jo ljudje uporabljajo že tisočletja. Tekočino bi morali ohlajati nemogoče počasi – morda celo neskončno počasi – da preprečite, da bi se strdila, preden doseže Kauzmannovo temperaturo. Toda leta 2007 je Ediger, fizik iz Wisconsina, razvili novo metodo steklarstva. "Ugotovili smo, da obstaja še en način za izdelavo očal z visoko gostoto in blizu stanja idealnega stekla po popolnoma drugačni poti," je dejal.

Ediger in njegova ekipa so odkrili, da lahko ustvarijo "ultra stabilna očala", ki obstajajo v stanju nekje med običajnim in idealnim. Z metodo, imenovano nanašanje s paro, so spustili molekule eno za drugo na površino, kot da bi igrali tetris, kar je omogočilo, da se je vsaka molekula najtesneje prilegala v oblikovalno steklo, preden je padla naslednja molekula. Nastalo steklo je bilo gostejše, stabilnejše in z manjšo entropijo kot vsa stekla v človeški zgodovini. "Ti materiali imajo lastnosti, ki bi jih pričakovali, če bi vzeli tekočino in jo ohladili čez milijon let," je dejal Ediger.

Druga lastnost ultra-stabilnega stekla bi sčasoma razkrila najbolj obetaven načrt poti do idealnega stekla.

Dve skupini, eno od njih pod vodstvom Miguela Ramosa v Madridu, sta leta 2014 identificirali to lastnost, ko sta ugotovili, da ultra stabilno steklo odstopa od univerzalne značilnosti vsega običajnega stekla.

Fiziki že desetletja vedo, da ima ultra hladno steklo visoko toplotno kapaciteto – količino toplote, ki je potrebna za dvig temperature. Steklo lahko sprejme veliko več toplote kot kristal blizu absolutne ničle, s toplotno kapaciteto, ki je neposredno sorazmerna s temperaturo.

Teoretiki, vključno s Philom Andersonom, cenjenim fizikom kondenzirane snovi, dobitnikom Nobelove nagrade, predlagal razlago v zgodnjih sedemdesetih letih. Trdili so, da steklo vsebuje veliko "dvonivojskih sistemov", majhnih skupin atomov ali molekul, ki lahko zdrsnejo naprej in nazaj med dvema alternativnima, enako stabilnima konfiguracijama. "Lahko si predstavljate, da se cel kup atomov nekako premika iz ene konfiguracije v zelo nekoliko drugačno konfiguracijo," je dejala Frances Hellman s kalifornijske univerze Berkeley, "ki preprosto ne obstaja v kristalnem materialu."

Čeprav so atomi ali molekule preveč zaprti s strani svojih sosedov, da bi sami veliko preklapljali, pri sobni temperaturi toplota aktivira dvonivojske sisteme, ki atomom zagotavljajo energijo, ki jo potrebujejo za premikanje. Ta aktivnost se zmanjša, ko temperatura stekla pade. Toda blizu absolutne ničle postanejo kvantni učinki pomembni: skupine atomov v steklu lahko kvantno mehansko "tunelirajo" med alternativnimi konfiguracijami, gredo naravnost skozi vse ovire, in celo zasedejo obe ravni dvonivojskega sistema hkrati. Tuneliranje absorbira veliko toplote, kar povzroči značilno visoko toplotno zmogljivost stekla.

Nekaj ​​let po tem, ko je Ediger ugotovil, kako izdelati ultra stabilno steklo, sta se Hellmanova skupina na Berkeleyju in Ramosova v Madridu neodvisno lotili preučevanja, ali bi lahko odstopil od te univerzalne toplotne kapacitete blizu absolutne ničle. V njihovem tisti, Poskusi, so raziskali nizkotemperaturne lastnosti ultra-stabilnega silicija in ultra-stabilnega indometacina (kemikalija, ki se uporablja tudi kot protivnetno zdravilo). Seveda so ugotovili, da imata obe kozarci veliko nižjo toplotno kapaciteto kot običajno blizu absolutne ničle, v skladu s kristalom. To je nakazovalo, da ima ultra stabilno steklo manj dvonivojskih sistemov, med katerimi bi lahko tunelirali. Molekule so v posebno tesnih konfiguracijah z malo konkurenti.

Če izjemno nizka toplotna zmogljivost ultra-stabilnega stekla res izvira iz manjšega števila dvonivojskih sistemov, potem idealno steklo seveda ustreza stanju brez dvonivojskih sistemov. "Nekako je popolnoma na mestu, kjer so vsi atomi neurejeni - nima kristalne strukture - vendar se sploh nič ne premika," je dejal David Reichman, teoretik na univerzi Columbia.

Poleg tega bi težnja k temu stanju popolnega amorfnega reda na dolge razdalje, kjer vsaka molekula vpliva na položaje vseh drugih, lahko povzročila, da se tekočine strdijo v steklo, ki ga vidimo (in vidimo skozi) povsod okoli nas.

V tej nastajajoči sliki, ko tekočina postane steklo, dejansko poskuša preiti v fazo idealnega stekla, ki jo vleče temeljna poteza proti redu na dolge razdalje. Idealno steklo je končna točka, je dejal Royall, toda ko se molekule poskušajo zbrati bližje skupaj, se zataknejo; naraščajoča viskoznost preprečuje, da bi sistem kdaj dosegel želeno stanje.

Nedavno so bile za preizkušanje teh zamisli uporabljene prelomne računalniške simulacije. Simulacija ultra stabilnega stekla na računalniku je bila včasih neizvedljiva zaradi izjemnega računalniškega časa, ki je bil potreben, da se simulirane molekule združijo. Pred dvema letoma pa je Berthier našel trik, ki mu je omogočil, da je proces pospešil za faktor 1 bilijona. Njegov algoritem naključno izbere dva delca in zamenja njuna položaja. Ti pretresi pomagajo simulirani tekočini, da ostane nesprijeta, kar omogoči molekulam, da se tesneje prilegajo – tako kot bi zmožnost zamenjave dveh neprimernih oblik pomagala v Tetrisu.

V papirju ki je v pregledu za objavo v Pisni pregledi fizike, Berthier, Scalliet, Reichman in dva soavtorja so poročali, da bolj ko je simulirano steklo stabilno, manj dvonivojskih sistemov ima. Kot pri Hellmanovih in Ramosovih meritvah toplotne kapacitete, računalniške simulacije kažejo, da so dvonivojski sistemi – konkurenčne konfiguracije skupin molekul – vir entropije stekla. Manj kot je teh alternativnih stanj, večjo stabilnost in daljnosežni red ima amorfna trdna snov in bližje je idealu.

Teoretika Vassiliy Lubchenko z univerze v Houstonu in Peter Wolynes z univerze Rice predlagano že leta 2007, da idealno steklo ne sme imeti dvonivojskih sistemov. "Zelo sem zadovoljen z Berthierjevim rezultatom," je po elektronski pošti sporočil Wolynes.

Ampak potem je tu še ta jantar.

Ramos in njegovi sodelavci so primerjave starih in »pomlajenih« vzorcev rumenega stekla objavili v l. Pisni pregledi fizike leta 2014. Ugotovili so, da je 110 milijonov let star jantar postal približno 2 odstotka gostejši, kar je v skladu z izjemno stabilnim steklom. To bi moralo nakazovati, da se je jantar sčasoma res stabiliziral, ko so majhne skupine molekul ena za drugo zdrsnile v nizkoenergijske ureditve.

Toda ko je madridska ekipa ohladila starodavno steklo skoraj do absolutne ničle in izmerila njegovo toplotno kapaciteto, so rezultati povedali drugačno zgodbo. Staran jantar je imel enako visoko toplotno kapaciteto kot nov jantar – in vse ostalo navadno steklo. Zdelo se je, kot da njegove molekule tunelirajo med prav toliko dvonivojskimi sistemi kot običajno.

Zakaj se število dvonivojskih sistemov sčasoma ni zmanjšalo, ko se je jantar stabiliziral in postal gostejši? Ugotovitve ne ustrezajo.

"Resnično so mi všeč poskusi z jantarjem, vendar je izdelava jantarnega stekla nekakšen grd proces," je dejal Ediger, začetnik metode naparjevanja. "To je v bistvu drevesni sok, ki se sčasoma kemično spremeni in strdi, pa tudi stara." Meni, da so nečistoče v španskem jantarju morda umazale meritve toplotne kapacitete.

Raziskovalci načrtujejo nadaljnje poskuse na jantarju, pa tudi na laboratorijsko izdelanem in simuliranem steklu, v upanju, da bodo odkrili več podrobnosti o dvonivojskih sistemih in se približali domnevnemu idealnemu stanju. Reichman je opozoril, da morda nikoli ne bo mogoče s popolno gotovostjo dokazati njegovega obstoja. "Morda bomo nekega dne vedeli, vsaj na računalniku, kako natančno zapakirati delce na način, ki bi bil idealno steklo, ki ga iščemo," je dejal. "Toda potem bi morali čakati zelo dolgo - predolgo - da vidimo, ali ostaja stabilen."

Opomba urednika: Ludovic Berthier in David Reichman sta prejela sredstva od Simonsova fundacija, ki podpira tudi Quanta, an uredniško neodvisna publikacija. Financiranje fundacije Simons nima nobene vloge pri njihovem kritju.

Prvotna zgodba ponatisnjeno z dovoljenjem Revija Quanta, uredniško neodvisna objava. \ t Simonsova fundacija čigar naloga je izboljšati razumevanje znanosti v javnosti tako, da zajema raziskovalne dosežke in trende v matematiki ter fizikalnih in življenjskih znanostih.