Американські фізики зробили важливий крок у розв’язанні давньої наукової загадки, показавши за допомогою комп’ютерного моделювання, що так зване «ідеальне скло» може існувати. Це дослідження допомагає пояснити парадокс, який десятиліттями обговорювали вчені: чи може скло, що зазвичай має хаотичну структуру, водночас проявляти властивості кристалу.
Звичайне скло, наприклад те, з якого зроблено склянку для води, насправді більше нагадує рідину, ніж тверде тіло. Його молекули розташовані без чіткої структури, у випадковому порядку — подібно до того, як вони поводяться в рідині. На відміну від кристалів, де атоми впорядковані в регулярну решітку, структура скла є аморфною, тобто не має чіткої геометричної системи.
Проте ще у 1948 році хімік Вальтер Каузманн висунув гіпотезу про існування «ідеального скла». Він припустив, що під час охолодження рідини ентропія — показник безладу в системі — поступово зменшується. Теоретично може існувати температура, за якої ентропія стане мінімальною. У такому стані структура залишатиметься аморфною, але буде настільки щільно й точно «упакованою», що її вже неможливо буде перебудувати іншим способом.
Ця ідея викликала чимало дискусій серед фізиків і матеріалознавців, адже така форма скла виглядає суперечливою: вона поєднує хаотичну структуру з максимальною впорядкованістю.
У новому дослідженні команда вчених з Університету Орегону під керівництвом фізикині Віоли Болтон-Лам використала комп’ютерні моделі, щоб показати, що ідеальне скло може існувати принаймні в двовимірній системі. У такій моделі частинки матеріалу розташовані аморфно, але водночас настільки рівномірно та щільно, що вся структура поводиться подібно до ідеального кристалу.
Під час моделювання дослідники з’ясували, що звичайне охолодження рідини не дозволить досягти такого стану — на це знадобився б практично нескінченний час. Тому вони застосували своєрідний «обхідний метод»: у симуляції частинки могли змінювати свій розмір під час ущільнення. Така додаткова гнучкість дозволила створити структуру, яка виглядає аморфною, але демонструє кристалічну стабільність.
У результаті кожна частинка матеріалу має в середньому шість точок контакту з сусідніми частинками, що забезпечує високу міцність і стабільність. Крім того, така структура демонструє явище, відоме як гіпероднорідність: у матеріалі відсутні скупчення частинок або порожні ділянки — простір заповнений максимально рівномірно.
Ще однією цікавою особливістю ідеального скла може бути його поведінка під час удару. Звичайне скло після удару вібрує хаотично, тоді як ідеальне скло, за прогнозами дослідників, коливатиметься рівномірно і впорядковано — подібно до кристалів, наприклад алмазу.
Втім, варто зазначити, що поки що йдеться лише про теоретичну роботу. У лабораторії ідеальне скло ще ніхто не створив, а звичайні методи нагрівання та охолодження для цього, ймовірно, не підходять. Для практичного виготовлення такого матеріалу доведеться розробити нові технології, які зможуть відтворити алгоритм ущільнення, використаний у комп’ютерній моделі.
Попри це, дослідження показує, що ідеальне скло не є неможливою концепцією. Якщо в майбутньому вдасться створити такий матеріал у реальності, він може мати унікальні властивості та знайти застосування в різних технологічних галузях. Робота відкриває новий напрямок для матеріалознавства і дає підстави припускати, що одного дня «ідеальне скло» може перестати бути лише теоретичною ідеєю.
Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review Letters.