Hvis glas ikke er et fast stof eller en væske, hvad er det da? Foto af Flickr-bruger -Kenzie-
Et glas merlot kan få verden til at se rosenrød ud, men det kan også være en kilde til frustration for en fysiker. Vinen hældes, sprøjter og hvirvler, men alligevel forbliver glasset stivt som et solidt kar. Zoom ind på merlen og du kan se molekyler holdes tæt på hinanden, men bevæge sig rundt uden fast position. Zoom ind på vinglas, og du kan også se dette forstyrrede arrangement, men ingen bevægelse.
På atomniveau ser de to former af stof ens ud. Selvom et glas er frossent fast, mangler det den stive krystallinske struktur, der findes i f.eks. Isterninger.
Forskere, der studerede glas, observerede forvrængede versioner af icosahedrons (icosahedron til venstre, forvrænget version til højre). Billede via Science / Chen og Kotani
Selvom kunsthåndværkere har lavet glas i årtusinder, og forskere har undersøgt dens struktur i årtier, har der indtil nu ikke været noget klart eksperimentelt bevis for at bekræfte, hvad der forhindrer væsker, der danner glas i at krystallisere. I et nyt papir, der blev offentliggjort online i Science, brugte et team af japanske forskere et højdrevet elektrondiffraktionsmikroskop for at se glas i de mindste skalaer endnu. Ved så høj opløsning så de, hvad der ser ud til at være en grundlæggende enhed af nogle briller –atomer pakket i en forvrænget version af en icosahedron, en tredimensionel form med 20 ansigter.
Med sofistikerede geometriske værktøjer karakteriserede teamet disse forvrængninger og rapporterede i papiret, at de tillader systemet at "bevare tæt atomemballering og en lavenergitilstand." Visse arrangementer af atomer, konkluderer forskerne, er selve essensen af glasitet, fordi de forstyrre udviklingen af en velorganiseret krystal.
Flere visninger af mikroskopiske billeder af atomer inden i glas (til højre) gjorde det muligt for forskere at tegne graden af forvrængning af de specifikke icosahedrons, der organiserede atomerne (til venstre). Billede via Science / Chen og Kotani
Selvom forskerne studerede et glas lavet af zirkonium og platin, ikke din gennemsnitlige vinduesrude, kan resultaterne muligvis være mere brede for briller. Ved at forstå måder, atomer organiserer, kan materialevidenskabsmænd finde måder at fremstille nye briller på og manipulere dem, de har fået.
Men glas er langt fra regnet ud. Mens undersøgelsen forklarer, hvorfor nogle væsker danner briller i stedet for at krystallisere, forklarer det ikke, hvorfor disse væsker kan blive træg nok til at være faste, siger kemiker fra Duke University, Patrick Charbonneau. Et stort samfund af videnskabsfolk har forsøgt at løse trægthed siden 1980'erne , men de kan ikke blive enige om løsningen, og de krænker endda om den bedste tilgang.
En populær strategi tager et skridt tilbage for at prøve at forstå, hvordan atomer udfylder et givet rum. Det behandler atomerne i glas som hårde kugler pakket sammen. Enkelt, ikke? ”Der er ingen kvantemekanik, der er ingen strengteori, man behøver ikke at påberope sig det ydre rum, ” siger Charbonneau. Og alligevel har selv studere glas på denne måde vist sig utroligt vanskeligt på grund af de komplikationer, der følger med at finde ud af, hvilke positioner så mange partikler kunne besætte. Oven på den iboende udfordring med at beskrive arrangementet af sfærerne er fremgangsmåden en forenkling, og det er ikke klart, hvor relevant det ville være for briller i den virkelige verden.
Charbonneau ser stadig energisk ud, når han taler om sådanne forskningsproblemer. Hans glas merlot er halvt fyldt, fordi han mener, at de sidste par år har skabt enorme fremskridt. Forskere, siger han, er blevet mere kreative med at stille spørgsmål om glas. Charbonneaus egen forskning simulerer glas i højere dimensioner, fund, der kan have vigtige konsekvenser for graden af forstyrrelse i tredimensionelt glas. Andre forskere overvejer, hvad der ville ske, hvis du immobiliserede nogle partikler i en superkølet væske i håb om at belyse, hvordan sådanne væsker opnår en glasagtig tilstand. Stadig flere overvejer atomer i glas som enheder, der kan bevæge sig på egen hånd, slags biologiske celler. Alle disse bestræbelser forsøger at bestemme de typer interaktioner, der bidrager til dannelsen af glas, så forskere vil genkende en rigtig god trægthedsteori, når de ser den.
På trods af alt dette tal om bevægelse, må du ikke forvente, at dit vinglas flyder på nogen synlig måde når som helst snart. Dette glas "vil vare længere end universets tidsskala, " siger Charbonneau. Påstander om, at det farvede glas i middelalderlige katedraler er tykkere i bunden, fordi glasstrømmene er køje. Men præcis hvorfor det ikke flyder forbliver et mysterium.
