Фізики в США створили симуляцію ідеального скла
Фізики в США оголосили про створення симуляції, яка вперше демонструє можливість існування “ідеального скла”, вирішуючи багаторічну парадоксальну проблему. У деяких аспектах, тип скла, з якого ви п’єте холодну воду, має більше спільного з рідкою формою, ніж з замороженими кристалами, які плавають у ньому. Його молекули змішані, як у рідині, маючи випадкову структуру серед безлічі можливих варіацій.
Що таке ідеальне скло?
Ідеальне скло має суттєві відмінності. Те, що виглядає як безлад молекул, не матиме інших варіантів – або, як це називається у фізиці, має мінімальну ентропію. Цей тип скла вперше обговорювався в 1948 році хіміком Уолтером Кауцманом, який запропонував, що оскільки ентропія знижується в процесі охолодження рідин і утворення скла, може існувати температура, достатня для повного її усунення. Це все ще буде випадковим розташуванням, але так точно упакованим, що не зможе бути переналаштованим іншим чином.
Дослідження і результати
За останні десятиліття можливість існування такого парадоксально впорядкованого скла активно обговорювалася. У новому дослідженні фізик з Університету Орегон Віола Болтон-Лум та її колеги використали комп’ютерні моделі, щоб показати, що ідеальне скло можливе в двомірному просторі. Це скло містить частинки, які мають аморфну структуру, але водночас є високо впорядкованими та однорідними, тому воно поводиться як ідеальний кристал.
Ключові результати дослідження:
- Ідеальне скло можна створити в двомірному просторі.
- Молекули у ідеальному склі мають мінімальну ентропію.
- Ідеальне скло не підлягає змінам при ударах, і його вібрації будуть рівномірними, як у алмазу.
Виклики в досягненні ідеального скла
Було очевидно, що звичайне охолодження не підходить для досягнення стану ідеального скла – на це знадобиться нескінченна кількість часу. Для своїх моделей дослідники використали певний “чит-код”, який дозволяє частинкам скла змінювати розмір під час упакування. Цей додатковий ступінь гнучкості дає змогу створити скло, яке виглядає аморфним, але демонструє кристалічні властивості.
Порівняння ідеального і звичайного скла:
| Тип скла | Структура | Вібрації | Ентропія |
|---|---|---|---|
| Звичайне скло | Випадкова | Безладні | Висока |
| Ідеальне скло | Високо впорядкована | Рівномірні | Мінімальна |
Перспективи та застосування ідеального скла
Важливо зазначити, що це дослідження є теоретичним: ніхто ще не виготовив ідеальне скло в лабораторії. Дослідники визнають, що стандартні процеси нагрівання та охолодження не зможуть створити таке скло, тому необхідно знайти нові підходи для його виробництва.
Проте, дослідження показує, що ідеальне скло не є неможливим, і з огляду на його особливі властивості, воно, ймовірно, буде придатним для багатьох різних застосувань. Які саме це можуть бути застосування, поки важко сказати, оскільки ще рано уявляти цей матеріал.
Подальші дослідження
Дослідникам ще багато чого потрібно вивчити щодо ідеального скла та його розробки, зокрема, як “чит-код”, використаний у симуляціях, може бути відтворений у реальних фізичних процесах виробництва. З огляду на досягнення в науці про матеріали, є підстави вважати, що ідеальне скло може колись існувати.
Висновок
“Нові підходи будуть необхідні для створення таких упаковок на практиці, оскільки їх не можна отримати за допомогою звичайних теплових або механічних процесів,” – пишуть дослідники. “Щоб створити такі системи на практиці, необхідно буде розробити фізичну реалізацію нашого алгоритму.”
Дослідження було опубліковане в журнал Physical Review Letters.