Model kan knuse et mysterium af glas

Et glas er et mærkeligt materiale mellem flydende og faste tilstande af stof, men til sidst giver glas altid sin solide tilbøjelighed ved at slå sig ned i de krystals ordnede mønstre. Eller sådan var det tænkt.

Forskere ved Princeton University har udviklet en beregningsmodel til at skabe et "perfekt glas", der aldrig krystalliserer - selv ved absolut nul. Udgivet i Naturvidenskabelige rapporter , modellen er en ny måde at tænke glas på og beskriver de ekstremt usædvanlige egenskaber ved et perfekt glas.

"Vi ved, at hvis du laver noget koldt nok, vil det krystallisere, men dette er en ekstremt eksotisk situation, hvor du helt undgår det, "sagde den tilsvarende forfatter Salvatore Torquato, en Princeton -professor i kemi og Princeton Institute for Science and Technology of Materials.

Forskere, der forsker i glas, har været forundret over dets natur i mere end et århundrede. Den uregerlige konfiguration af dens molekyler antyder, at den skal flyde som en væske, men den er lige så stiv og uafgivelig som et fast stof. Glasovergangen, eller temperaturen, når afkølede væsker omdannes til et glas, er et andet mysterium. Mens overgangen fra en væske til et fast stof er ekstremt skarp, f.eks. ved 0 grader Celsius i vand, glas kan dannes over et temperaturområde og kun hvis væskerne blev afkølet hurtigt nok til at undgå krystallisering.

Ved udviklingen af ​​deres model, forskerne satte sig for at afgøre, om der kunne eksistere et glas, der for evigt kunne undgå krystallisering. "Vores model er en out-of-the-box mulighed, "Sagde Torquato.

Modellen stammer fra to områder i Torquatos forskningsgruppe, der var velegnede til en model med perfekt glas. Laboratoriet fokuserer på eksotiske hyperuniforme materielle tilstande, materialer, for hvilke atomer forekommer urolige lokalt, men udviser lang rækkefølge globalt, der dukker op i forskellige sammenhænge, herunder øjet på en kylling. Den anden er maksimalt tilfældigt fastklemt pakning, en måde at arrangere partikler i et system, så det har en meget høj grad af uorden og partiklerne sidder fast i hinanden, evigt frosset i rummet.

I modellen med perfekt glas er "krystaller forvist, "Torquato sagde." De kunne aldrig dannes ved design af interaktionerne mellem partiklerne. "

For at finde disse perfekte briller, forskernes model betragtes som 2-, 3-, og 4-krops interaktioner, som refererer til interaktionerne mellem antallet af partikler, der henviser til, at tidligere modeller kun betragtede to-krops interaktioner, eller interaktioner mellem partikler. Mens 2-, 3-, og 4-kropsinteraktioner er mere komplicerede og mangler endnu at blive set i naturen, udvidelse til disse interaktioner tillod forskerne at undertrykke krystallisering, hvor andre havde fejlet.

Ud over dets definerende evne til at modstå krystallisering, et perfekt glas er gennemsyret af nul komprimerbarhed, hvilket betyder, at den er uigennemtrængelig for ydre kræfter og også et glimrende medium til udbredelse af lyd. Faktisk, lyd ville kunne rejse gennem et perfekt glas med lysets hastighed, sagde Ge Zhang, en kandidatstuderende i Torquato -laboratoriet og hovedforfatter på undersøgelsen.

Modellen tilbyder også en løsning på et paradoks, der har forvirret forskere i årtier og først blev defineret på Princeton i 1948 af den afdøde kemiprofessor Walter Kauzmann. Kauzmann-paradokset betragtede den "entropikrise", der er forårsaget af en superafkøling af en glasdannende væske ud over en bestemt temperatur.

Entropi er et mål for uorden, hvilket betyder, at en fritflydende væske har mere lidelse, og dermed entropi, end en meget struktureret krystal. Men da væsken afkøles, entropi -forskellen mellem væske og krystal begynder at falde. Hvis denne tendens spillede ud til lave nok temperaturer, Kauzmann tilbød, til sidst ville der være en temperatur nu kendt som Kauzmann -temperaturen, ud over hvilken entropien, eller uorden, af krystallen bliver faktisk større end den afkølede væskes - en paradoksal situation.

Den perfekte glasmodel, imidlertid, undgår dette paradoks fuldstændigt. Da glasset ikke kan krystallisere, der er ingen krystallinsk entropi at sammenligne den flydende entropi med, og dermed ingen risiko for at løbe ind i entropikrisen.

Normand Mousseau, fysikprofessor ved University of Montreal, sagde, at Princeton -forskerne havde en atypisk tilgang til at besvare et gammelt spørgsmål:"Ved lave temperaturer, kan den mest stabile struktur være noget, der er et glas? Kan det eksistere i universet? "Selvom deres model ikke fuldt ud besvarer disse spørgsmål, det giver mere information, sagde Mousseau, der kender forskningen, men ikke havde nogen rolle i den. "At have en ny måde at se på dette problem på hjælper os klart med at komme videre, " han sagde.

For nu, modellen med perfekt glas er et teoretisk bevis på konceptet, dog en spændende, der trodser den nuværende forståelse af glas. Dens egentlige skabelse er langt væk, selvom Torquato antyder, at polymersystemer kan være et godt sted at se. I mellemtiden, han sagde, der er stadig meget at lære om teorien om perfekte briller.