Ett glas är ett konstigt material mellan flytande och fasta tillstånd av materia, men så småningom ger glaset alltid efter för sin fasta benägenhet genom att bosätta sig i en kristalls ordnade mönster. Eller så trodde man.
Forskare från Princeton University har utvecklat en beräkningsmodell för att skapa ett "perfekt glas" som aldrig kristalliserar – inte ens vid absolut noll. Publicerad i Naturvetenskapliga rapporter , modellen är ett nytt sätt att tänka på glas och beskriver de extremt ovanliga egenskaperna hos ett perfekt glas.
"Vi vet att om du gör något tillräckligt kallt kommer det att kristallisera, men det här är en extremt exotisk situation där du helt undviker det, " sa motsvarande författare Salvatore Torquato, en Princeton-professor i kemi och Princeton Institute for the Science and Technology of Materials.
Forskare som forskar om glas har varit förbryllade över dess natur i mer än ett sekel. Den oregerliga konfigurationen av dess molekyler antyder att den borde flyta som en vätska men ändå är den lika stel och orubblig som en fast substans. Glasövergången, eller temperaturen när kylda vätskor omvandlas till ett glas, är ett annat mysterium. Medan övergången från en vätska till en fast substans är extremt skarp, vid 0 grader Celsius i vatten till exempel, glas kan bildas över ett intervall av temperaturer och endast om vätskorna kyldes tillräckligt snabbt för att undvika kristallisation.
När de utvecklade sin modell, forskarna försökte avgöra om ett glas kunde existera som för alltid kunde undvika kristallisering. "Vår modell är en out-of-the-box möjlighet, sa Torquato.
Modellen härrör från två områden i Torquatos forskargrupp som var väl lämpade för en perfekt glasmodell. Labbet fokuserar på exotiska hyperuniforma tillstånd av materia, material för vilka atomer verkar oordnade lokalt men uppvisar långväga ordning globalt som dyker upp i olika sammanhang, inklusive ögat på en kyckling. Den andra är maximalt slumpmässigt fastklämd packning, ett sätt att ordna partiklar i ett system så att det har en mycket hög grad av oordning och att partiklarna kläms ihop, för evigt frusen i rymden.
I modellen med perfekt glas "förvisas kristaller, "Sade Torquato. "De kunde aldrig bildas genom design av interaktionerna mellan partiklarna."
För att hitta dessa perfekta glasögon, forskarnas modell ansåg 2-, 3-, och 4-kroppsinteraktioner, som hänvisar till växelverkan mellan antalet partiklar, medan tidigare modeller endast beaktade 2-kroppsinteraktioner, eller interaktioner mellan par av partiklar. Medan 2-, 3-, och 4-kroppsinteraktioner är mer komplicerade och har ännu inte setts i naturen, utvidgningen till dessa interaktioner gjorde det möjligt för forskarna att undertrycka kristallisering där andra hade misslyckats.
Förutom dess definierande förmåga att motstå kristallisation, ett perfekt glas är genomsyrat av noll kompressibilitet, vilket innebär att den är ogenomtränglig för yttre krafter och även ett utmärkt medium för att sprida ljud. Faktiskt, ljud skulle kunna färdas genom ett perfekt glas med ljusets hastighet, sa Ge Zhang, en doktorand i Torquato-labbet och huvudförfattare till studien.
Modellen erbjuder också en lösning på en paradox som har förbryllat forskare i årtionden och som först definierades i Princeton 1948 av den bortgångne kemiprofessorn Walter Kauzmann. Kauzmann-paradoxen betraktade "entropikrisen" som uppstår genom underkylning av en glasbildande vätska över en viss temperatur.
Entropi är ett mått på störning, vilket innebär att en fririnnande vätska har mer oordning, och därmed entropi, än en mycket strukturerad kristall. Men när vätskan kyls, entropiskillnaden mellan vätskan och kristallen börjar minska. Om den trenden utspelade sig till tillräckligt låga temperaturer, Kauzmann erbjöd, så småningom skulle det finnas en temperatur som nu är känd som Kauzmann-temperaturen bortom vilken entropin, eller störning, av kristallen blir faktiskt större än den för den underkylda vätskan - en paradoxal situation.
Den perfekta glasmodellen, dock, kringgår denna paradox helt. Eftersom glaset inte kan kristallisera, det finns ingen kristallin entropi att jämföra vätskeentropin med, och därmed ingen risk att hamna i entropikrisen.
Normand Mousseau, fysikprofessor vid University of Montreal, sa att Princeton-forskarna tog ett atypiskt tillvägagångssätt för att svara på en gammal fråga:"Vid låga temperaturer, kan den mest stabila strukturen vara något som är ett glas? Kan det existera i universum?" Även om deras modell inte helt svarar på dessa frågor, det ger mer information, sa Mousseau, som är bekant med forskningen men inte haft någon roll i den. "Att ha ett nytt sätt att se på det här problemet hjälper oss helt klart att gå framåt, " han sa.
Tills vidare, den perfekta glasmodellen är ett teoretiskt bevis på konceptet, även om en spännande sådan som trotsar nuvarande förståelse för glas. Dess verkliga skapelse är långt borta, även om Torquato antyder att polymersystem kan vara ett bra ställe att leta efter. Sålänge, han sa, det finns fortfarande mycket att lära om teorin om perfekta glasögon.
