Zwykłe szkło, z którego wykonuje się okna czy ekrany smartfonów, należy do tzw. ciał amorficznych. Oznacza to, że jego atomy są “zamrożone” w przypadkowym układzie przypominającym ciecz, choć materiał zachowuje sztywność typową dla ciał stałych. W przeciwieństwie do tego kryształy mają bardzo uporządkowaną strukturę. W praktyce oznacza to, iż atomy układają się w powtarzalny wzór rozciągający się w całej objętości materiału.
Czytaj też: Fizycy stworzyli katapultę, a teraz strzelają z niej elektronami. Zbliżają się do granic fizyki
Już w 1948 roku chemik Walter Kauzmann zaproponował hipotezę, w myśl której mógłby istnieć szczególny rodzaj szkła, czyli wspomniane idealne szkło. Wchodzące w jego skład cząsteczki pozostawałyby w pozornie losowym układzie, jednocześnie osiągając maksymalnie uporządkowane “upakowanie”. W takim stanie materiał miałby bardzo niską entropię, zbliżoną do tej, którą obserwuje się w kryształach. Przez dziesięciolecia pomysł ten budził kontrowersje, ponieważ wydawał się prowadzić do paradoksu: jak układ pozbawiony struktury krystalicznej może być tak uporządkowany jak kryształ?
Nowe badania przeprowadzone przez fizyków z kilku amerykańskich uczelni sugerują, jakoby taki stan rzeczywiście mógł istnieć. Naukowcy wykorzystali zaawansowane symulacje komputerowe, aby skonstruować dwuwymiarowy model materiału, w którym cząstki są rozmieszczone w sposób jednocześnie amorficzny i niezwykle równomierny. Choć struktura nie ma regularnego wzoru charakterystycznego dla kryształów, jej właściwości mechaniczne są bardzo podobne do tych obserwowanych w materiałach krystalicznych.
Idealne szkło jak na razie istnieje tylko teoretycznie, ale naukowcy już ostrzą sobie na nie zęby
Kluczowym elementem modelu była metoda pozwalająca dynamicznie zmieniać rozmiary cząstek podczas ich upakowywania w symulacji. Dzięki temu badacze mogli stopniowo eliminować wszystkie puste przestrzenie i nierówności w strukturze. W rezultacie powstał układ, który wygląda jak typowe szkło – pozbawione długozasięgowego porządku – ale jest jednocześnie niezwykle stabilny i jednorodny.
Takie idealne szkło mogłoby wykazywać właściwości zupełnie inne niż zwykłe szkło. Na przykład jego drgania po uderzeniu byłyby znacznie bardziej uporządkowane, podobnie jak w kryształach takich jak diament. Struktura materiału charakteryzowałaby się także tzw. hiperjednorodnością. Mówiąc inaczej, cząstki byłyby rozmieszczone w przestrzeni w bardzo równomierny sposób, bez skupisk i pustych obszarów. Co ważne, obecne wyniki mają charakter czysto teoretyczny.
Czytaj też: Silnik przyszłości nie potrzebuje większej mocy. Potrzebuje lepszego materiału
Naukowcy podkreślają, że nie istnieje jeszcze metoda laboratoryjnego wytworzenia takiego materiału. Jeśli jednak kiedyś uda się to zmienić, opisywane szkło mogłoby znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach technologii. Materiały o takiej strukturze mogłyby łączyć zalety szkła i kryształów, tj. wysoką stabilność, jednorodność oraz potencjalnie wyjątkowe właściwości mechaniczne i optyczne.
Źródło: Physical Review Letters
