Hvis glass ikke er et fast stoff eller en væske, hva er det da? Foto av Flickr-bruker -Kenzie-
Et glass merlot kan gjøre at verden ser rosenrød ut, men det kan også være en kilde til frustrasjon for en fysiker. Vinen skjenker, spruter og virvler, men glasset forblir stivt som et solid kar. Zoom inn på merloten og du vil se molekyler holdes tett sammen, men beveger seg rundt uten fast stilling. Zoom inn på vinglasset, så ser du også dette uordnede arrangementet, men ingen bevegelser.
På atomnivå ser de to materieformene like ut. Selv om et glass er frossent faststoff, mangler det den stive krystallstrukturen som finnes i, for eksempel, isbiter.
Forskere som studerer glass, observerte forvrengte versjoner av icosahedrons (icosahedron på venstre, forvrengt versjon til høyre). Bilde via Science / Chen og Kotani
Selv om håndverkere har laget glass i årtusener, og forskere har studert strukturen i flere tiår, har det til nå ikke vært noen klare eksperimentelle bevis for å bekrefte hva som hindrer væsker som danner glass i å krystallisere. I et nytt papir publisert på nettet i Science, brukte et team av japanske forskere et høydrevet elektrondiffraksjonsmikroskop å se glass på de minste skalaene ennå. I så høy oppløsning så de det som ser ut til å være en grunnleggende enhet av noen glass-atomer pakket i en forvrengt versjon av en icosahedron, en tredimensjonal form med 20 ansikter.
Med sofistikerte geometriske verktøy, karakteriserte teamet disse forvrengningene, og rapporterte i papiret at de tillater systemet å "beholde tett atomemballasje og en lavenergitilstand." Enkelte atomer, som forskerne konkluderer, er selve essensen av glassighet fordi de forstyrre utviklingen av en godt organisert krystall.
Flere synspunkter av mikroskopiske bilder av atomer i glass (til høyre) tillot forskere å tegne graden av forvrengning av de spesifikke ikosedrer som organiserte atomene (til venstre). Bilde via Science / Chen og Kotani
Selv om forskerne studerte et glass laget av zirkonium og platina, ikke gjennomsnittlig vindusrute, kan det hende at resultatene holder for briller. Ved å forstå måtene atomer organiserer, kan materialforskere finne måter å lage nye briller på og manipulere de de har.
Men glass er langt fra funnet ut. Mens studien forklarer hvorfor noen væsker danner glass i stedet for å krystallisere, forklarer det ikke hvorfor disse væskene kan bli svake nok til å være faste, sier Duke University-kjemiker Patrick Charbonneau. Et stort samfunn av forskere har forsøkt å løse treghet siden 1980-tallet , men de kan ikke bli enige om løsningen, og de krangler selv om den beste tilnærmingen.
En populær strategi tar et skritt tilbake for å prøve å forstå hvordan atomer fyller et gitt rom. Den behandler atomene i glass som harde kuler pakket sammen. Enkelt, ikke sant? "Det er ingen kvantemekanikk, det er ingen strengteori, du trenger ikke å påkalle det ytre rom, " sier Charbonneau. Og selv å studere glass på denne måten har vist seg utrolig vanskelig på grunn av komplikasjonene som følger med å finne ut hvilke posisjoner så mange partikler kan innta. På toppen av den iboende utfordringen med å beskrive arrangementet av sfærene, er tilnærmingen en forenkling, og det er ikke klart hvor relevant det ville være for briller i den virkelige verden.
Fortsatt virker Charbonneau energisk når han snakker om slike forskningsproblemer. Merlot-glasset hans er halvfullt, fordi han tror de siste årene har gitt enorm fremgang. Forskere, sier han, har blitt mer kreative når de stiller spørsmål om glass. Charbonneaus egen forskning simulerer glass i høyere dimensjoner, funn som kan ha viktige implikasjoner for graden av forstyrrelse i tredimensjonalt glass. Andre forskere vurderer hva som ville skje hvis du immobiliserte noen partikler i en superkjølt væske, i håp om å belyse hvordan slike væsker oppnår en glassaktig tilstand. Stadig flere vurderer atomer i glass som enheter som kan bevege seg på egen hånd, slags biologiske celler. Alle disse anstrengelsene prøver å bestemme hvilke typer interaksjoner som bidrar til dannelsen av glass, slik at forskere vil kjenne seg igjen i en virkelig god treghetsteori når de ser den.
Til tross for alt dette snakket om bevegelse, ikke forvent at vinglasset ditt flyter på noen synlig måte når som helst snart. Dette glasset "vil vare lenger enn tidsskalaen for universet, " sier Charbonneau. Hevder at glassmaleriene i middelalderske katedraler er tykkere i bunnen fordi glassstrømmene er køye. Men nøyaktig hvorfor det ikke flyter forblir et mysterium.
