Fysikere identificerer et overraskende fænomen med aldring i materialer over tid

Fysikere i Darmstadt undersøger ældningsprocesser i materialer. For første gang har de målt tikken af ​​et indvendigt ur i glas. Da de evaluerede dataene, opdagede de et overraskende fænomen.

Vi oplever tid som kun at have én retning. Hvem har nogensinde set en kop smadre på gulvet, for så spontant at samle sig selv igen? For fysikere er dette ikke umiddelbart indlysende, fordi formlerne, der beskriver bevægelser, gælder uanset retningen af ​​tiden.

En video af et pendul, der svinger uhindret, for eksempel, ville se præcis det samme ud, hvis det løb baglæns. Den hverdagslige irreversibilitet, vi oplever, kommer kun i spil gennem en yderligere naturlov, termodynamikkens anden lov. Dette angiver, at lidelsen i et system vokser konstant. Hvis den smadrede kop skulle samle sig selv igen, ville lidelsen dog falde.

Du tror måske, at ældning af materialer er lige så irreversibel som splintring af et glas. Men når man forsker i molekylers bevægelser i glas eller plastik, har fysikere fra Darmstadt nu opdaget, at disse bevægelser er tidsreversible, hvis de ses fra et bestemt perspektiv.

Holdet ledet af Till Böhmer ved Institute for Condensed Matter Physics ved det tekniske universitet i Darmstadt har offentliggjort sine resultater i Nature Physics .

Glas eller plast består af et virvar af molekyler. Partiklerne er i konstant bevægelse, hvilket får dem til at glide ind i nye positioner igen og igen. De søger permanent en mere gunstig energisk tilstand, som ændrer materialets egenskaber over tid - glasset ældes.

I nyttige materialer som vinduesglas kan dette dog tage milliarder af år. Ældningsprocessen kan beskrives ved, hvad der er kendt som "den materielle tid." Forestil dig det sådan her:Materialet har et indvendigt ur, der tikker anderledes end uret på laboratorievæggen. Materialetiden tikker med forskellig hastighed afhængigt af, hvor hurtigt molekylerne i materialet reorganiserer sig.

Siden konceptet blev opdaget for omkring 50 år siden, er det dog ikke lykkedes nogen at måle materiel tid. Nu har forskerne i Darmstadt under ledelse af prof. Thomas Blochowicz gjort det for første gang.

"Det var en kæmpe eksperimentel udfordring," siger Böhmer. De minimale udsving i molekylerne skulle dokumenteres ved hjælp af et ultrafølsomt videokamera. "Du kan ikke bare se molekylerne svinge rundt," tilføjer Blochowicz.

Alligevel bemærkede forskerne noget. De rettede en laser mod prøven lavet af glas. Molekylerne i den spreder lyset. De spredte stråler overlapper hinanden og danner et kaotisk mønster af lyse og mørke pletter på kameraets sensor. Statistiske metoder kan bruges til at beregne, hvordan udsvingene varierer over tid – med andre ord, hvor hurtigt materialets indre ur tikker. "Dette kræver ekstremt præcise målinger, som kun var mulige ved brug af avancerede videokameraer," siger Blochowicz.

Men det var det værd. Den statistiske analyse af de molekylære udsving, som forskere fra Roskilde Universitet i Danmark har hjulpet med, afslørede nogle overraskende resultater. Med hensyn til materiel tid er molekylernes fluktuationer tidsreversible. Det betyder, at de ikke ændrer sig, hvis materialetiden får lov til at tikke baglæns, svarende til videoen af ​​pendulet, der ser ens ud, når den afspilles frem og tilbage.

"Dette betyder dog ikke, at ældning af materialer kan vendes," understreger Böhmer. Resultatet bekræfter snarere, at begrebet materiel tid er velvalgt, fordi det udtrykker hele den irreversible del af materialets aldring. Dens tikkende inkarnerer tidens gang for det pågældende materiale.

Alt andet, der bevæger sig i materialet i forhold til denne tidsskala, bidrager ikke til aldring. Ligesom, metaforisk set, børn, der leger på bagsædet af en bil, ikke bidrager til dens bevægelse.

Darmstadt-forskerne mener, at dette generelt gælder for uordnede materialer, da de undersøgte to materialeklasser - glas og plast - og udførte en computersimulering af et modelmateriale - med de samme resultater.

Fysikernes succes er kun begyndelsen. "Dette efterlader os med et bjerg af ubesvarede spørgsmål," siger Blochowicz. For eksempel mangler det at blive afklaret, i hvilket omfang den observerede reversibilitet i form af materiel tid skyldes reversibiliteten af ​​de fysiske naturlove, eller hvordan det indre urs tikkende er forskelligt for forskellige materialer.

Forskerne er ivrige efter at undersøge nærmere, så flere spændende opdagelser kan ligge forude.

Flere oplysninger: Böhmer, T. et al, Tidsreversibilitet under ældning af materialer. Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02366-z

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Technische Universitat Darmstadt