Вчені вперше змоделювали «ідеальне скло» на комп’ютері — теоретичний матеріал, пошуком якого фізики займаються ще з середини XX століття. Це відкриття допоможе краще зрозуміти поведінку аморфних матеріалів і може відкрити шлях до створення міцніших та універсальніших промислових матеріалів.
Дослідження очолив фізик Ерік Корвін з Університету Орегону. Використовуючи сучасне комп’ютерне моделювання, команда змогла побудувати структуру, де молекули упаковані максимально щільно і стабільно, але при цьому залишаються аморфними, тобто без упорядкованої кристалічної структури. Скло в цьому сенсі унікальне: воно веде себе як твердий матеріал, хоча його молекули розташовані хаотично.
«Якщо дивитися на скло на молекулярному рівні, молекули виглядають випадково розкиданими», — пояснює Корвін. — «Вони щільно прилягають одна до одної, але жодної упорядкованої структури немає».
Пошуки ідеального скла
Ідея існування «ідеального скла» була запропонована ще у 1948 році хіміком Волтером Кауцманом. Він припускав, що при достатньо сильному охолодженні можна отримати стабільну аморфну структуру, де молекули будуть упаковані максимально щільно. Проте таке скло ніколи не спостерігалося в природі, і дослідники залишалися без реального прикладу.
Команда Корвіна вирішила підійти до проблеми через математичне моделювання, а не чекати, поки природа сама створить ідеальне скло. Спершу вони використали спрощену систему, де молекули були представлені у вигляді круглих дисків. Натхнення черпали зі структури двовимірних кристалів, де кожен диск оточений шістьма сусідами у вигляді повторюваного «віялоподібного» візерунка.
Однак замість того, щоб зберігати кристалічний порядок, команда розробила метод, який дозволяв підтримати щільну упаковку дисків, одночасно усунувши повторювану кристалічну структуру.
Аморфне, але міцне як кристал
Результатом стала структура, яка залишалася повністю хаотичною, але механічно поводилася як кристал. За словами науковців, ця конфігурація представляє найщільніше можливе упакування молекул для даного типу системи.
Команда перевірила матеріал на стиск, вигин та плавлення. Тести показали, що модель демонструє механічну стабільність, порівнянну з кристалічними матеріалами, навіть без упорядкованої структури. «Наша структура механічно поводиться так само, як кристал, хоча вона повністю аморфна», — підкреслив Корвін.
Розуміння такого стану допоможе краще пояснити перехід скла — процес, коли рідини стають твердим склом без формування кристалів. Це знання може мати важливе значення для металічних скелів, які поєднують міцність металів із гнучкістю аморфних структур.
Металічні скла відомі своєю міцністю та стійкістю до деформацій, але їх складно виробляти, бо рідину потрібно охолоджувати надзвичайно швидко. «Якщо ми зрозуміємо, що робить сплав кращим або гіршим для формування металічного скла, можна буде створювати сплави, які можна охолоджувати повільніше», — додає Корвін.
Вдосконалення таких матеріалів може змінити промисловість: потенційно можна буде відливати деталі двигунів або навіть корпуси літаків із високою точністю та міцністю. Наступним кроком команди буде розширення моделювання до тривимірних систем, щоб дослідити ідеальне скло у більш реалістичних умовах.
Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review Letters.