Почему стекло до сих пор остается загадкой для физиков

В фильме “Sweet Home Alabama” есть сцена, в которой один из героев рассказывает о том, как делают стекло. Он рассказывает о том, как ждет, пока молния ударит в песок на пляже, и собирает оставшееся стекло.

Это звучит как что-то придуманное для фильма, но это не так. Это просто один из многих способов, с помощью которых стекло остается загадкой для многих людей. Не только “молниеносное стекло” завораживает ученых, но и весь процесс, который до сих пор не дает им покоя.

Это верно: Люди науки не знают всего, что можно понять о том, как стекло становится, ну, стеклом. В частности, их интересует фаза стеклования – тот момент, когда стекло становится твердым, но без заметной кристаллической структуры. Видите ли, чтобы быть твердым, что-то должно иметь форму. По данным Технологического университета Эйндховена, физики не могут объяснить, почему и как происходит переход от жидкости к стеклянной фазе. И они считают, что когда они узнают об этом процессе, он может иметь широкое промышленное применение.

Во-первых, что такое стекло вообще? Компания Corning, производящая стекло и керамику, пишет, что стекло – это, по сути, песок, который был расплавлен и затем химически преобразован. Песок должен состоять в основном из кремнезема. Когда песок достаточно нагревается, он становится жидким, который затем можно формировать в формах или тростях, когда он остывает. А если добавить в него материалы, он может изменить цвет или структуру.

И жидкость, и твердое тело?

Ученые часто спорят о том, является ли стекло жидкостью или твердым телом. Physics Today отмечает, что поскольку стеклообразные материалы не имеют кристаллической структуры, они имеют общие свойства с жидкостями, молекулы которых перемешаны между собой. Но поскольку стекло не деформируется легко, технически оно считается чем-то твердым. Вот почему некоторые люди называют стекло переохлажденной жидкостью.

Когда кремнезем нагревают, чтобы начать процесс производства стекла, его атомы начинают двигаться очень быстро. Когда он остывает, его частицы перестают двигаться повсюду, а затем оседают в узнаваемую картину. Со стеклом дело обстоит иначе. Во многих случаях стекло представляет собой неравновесные состояния материи.

Это не единственная загадка. По словам представителей Эйндховенского технологического университета, ученые также изучают вязкость, или легкость, с которой материалы текут и деформируются. Конечно, когда что-то жидкое, и все его атомы находятся в беспорядке, как в воде, оно свободно течет. Но в случае со стеклом его вязкость становится почти в 15 раз больше, чем у чего-то жидкого. При этом его атомы остаются неизменными.

Как любой великий сыщик, ученые хотят разгадать загадку, почему стекло обладает свойствами и твердого тела, и жидкости. Одним из таких исследователей, пытающихся понять больше об этом материале, является Лисбет Янссен. Она начала работать над тем, чтобы выяснить, почему стекло ведет себя именно так, и, возможно, даже разработать теорию, объясняющую, почему вязкость стекла так быстро растет во время стеклования и при этом остается жидкостью.

Это не невозможно

Янссен все еще пытается выяснить, что заставляет стекло работать, и она полна решимости выяснить это, даже если ее консультант по докторской диссертации сказал ей, что она пытается сделать невозможное. На данный момент ей удалось разработать теорию, цель которой – предсказать, как быстро материалы переходят из жидкого состояния в аморфное твердое, как стекло, но только для одного типа частиц. Янссен и ее команде еще предстоит придумать уравнение для нескольких частиц.

Так какое значение имеет то, что ученые наконец-то разгадали тайну стекла? Янссен считает, что лучшее понимание того, как развиваются такие материалы, как стекло, может означать, что мы сможем применить те же методы к другим вещам. Например, он может открыть полностью перерабатываемый пластик, качество которого не ухудшается при повторном использовании.

Клетки человеческого тела также имеют стеклянную фазу, но люди не сделаны из стекла. У больных астмой есть эпителиальные клетки, которые быстро двигаются, а раковые опухоли проходят стеклянную фазу, когда начинают метастазировать и перемещаться в другие части тела. Понимание стеклянной фазы является ключом к разработке способов лечения астмы или рака.

Это не единственное исследование, связанное со стеклом. Science Daily сообщает, что исследователи обнаружили новую жидкую фазу в процессе стеклования, которая может создавать более плотные материалы. Они могут быть использованы для создания тонкого, но невероятно прочного стекла для электронных устройств. Кто знал, что стекло не такое кристально чистое, как мы думали?