Физики впервые построили математическую модель «идеального стекла»

Мы видим его каждый день и не задумываемся, какую тайну оно скрывает. Стекло — твердый материал со свойствами жидкости.

Физики сделали значительный шаг в разгадке этой тайны. Они смоделировали на компьютере первое в мире «идеальное стекло», в котором молекулы упакованы максимально плотно и стабильно, но при этом сохраняют аморфную структуру.

Ученые давно предполагали, что такой материал должен существовать в теории, но до сих пор не могли воспроизвести его ни физически, ни математически. Понимание, как его создать, может открыть новые горизонты в разработке материалов с уникальными характеристиками — например, стекла, способного выдерживать экстремальные температуры и давление.

Для физиков понятие «стеклообразные материалы» выходит далеко за рамки привычного нам оконного или бутылочного стекла, экранов телефонов или очков. Любое твердое вещество, состоящее из аморфно расположенных молекул — например, многие виды пластика, металлические стекла и даже некоторые биологические материалы — наука тоже считает стеклом.

Загадка стекла

«Если взглянуть на стекло на молекулярном уровне, вы увидите, что его молекулы расположены аморфно — скорее случайным образом. Они плотно прилегают друг к другу, но какой-либо упорядоченной структуры в этом нет», — объясняет профессор Эрик Корвин из Орегонского университета.

В кристаллическом твердом теле молекулы выстраиваются в регулярный, предсказуемый порядок. В аморфном же твердом теле хаотично разбросанные молекулы зафиксированы на своих местах и не могут двигаться так, как в жидкости.

«В этом и заключается главный вопрос, касающийся стекол, — продолжает ученый. — Как система, которая полностью аморфна и похожа на жидкость, сохраняет механическую устойчивость и стабильность?»

В своем исследовании Корвин и его коллеги взялись за решение задачи, поставленной еще в 1948 году химиком из Принстонского университета Уолтером Каузманом. Он предположил, что при охлаждении стекла до сверхнизких температур оно в конечном итоге должно достичь идеального состояния, в котором молекулы упакованы максимально плотно. Такое стекло станет еще больше похоже на кристаллическое твердое тело и приобретет улучшенные характеристики: более высокую температуру плавления, гибкость или исключительную устойчивость к разрушению под нагрузкой.

Идеального стекла в природе не существует, поэтому у ученых нет возможности изучать его напрямую. Однако команда Корвина решила создать его путем математического моделирования с использованием высокопроизводительного компьютерного кластера Орегонского университета. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

«Мы подумали: а что, если попробовать перейти сразу к нему? Мы можем сконструировать наилучшую из возможных структур», — говорит профессор.

Исследователи начали с создания модели, в которой молекулы имели форму круглых дисков. Они опирались на структуру двумерного кристалла, где каждый диск окружен шестью соседями и контактирует со всеми ними, как ячейки в сотах. Затем разработали метод, позволяющий сохранить структуру идеально прилегающих друг к другу дисков, но при этом полностью устранить периодическую кристаллическую решетку.

Расчеты подтвердили, что новые структуры получились наиболее плотными из всех возможных конфигураций для данного набора дисков. Чтобы убедиться, что стекло действительно идеально, сравнили его физические свойства, смоделированные на компьютере, с известными свойствами кристаллических твердых тел. Изучили, как модель реагирует на давление, изгиб, плавление и другие воздействия, и обнаружили, что она ведет себя скорее как кристалл, а не как аморфное тело.

«Вывод таков: наша структура с механической точки зрения ведет себя точно так же, как кристалл, несмотря на то, что она полностью аморфна», — подчеркивает Корвин.

Что дальше

Исследователи планируют расширить свою работу, перейдя к трехмерному пространству. По мнению Корвина, в конечном итоге их результаты могут усовершенствовать производственные процессы и, возможно, привести к лучшему пониманию таких материалов, как металлические стекла, которые обладают целым рядом интересных и полезных свойств — они могут быть очень прочными, устойчивыми к деформации, их можно плавить и использовать для литья под давлением.

Однако сегодня такие материалы сложны в производстве, поскольку для их получения требуется чрезвычайно быстрое охлаждение из жидкого состояния.

«Если мы сможем глубже понять природу стеклования и выяснить, что делает тот или иной сплав более или менее пригодным для образования металлического стекла, мы сможем создавать сплавы, которые можно будет охлаждать гораздо медленнее. И тогда открываются поистине безграничные возможности. Можно будет отливать автомобильные двигатели, корпуса реактивных истребителей. Это произвело бы настоящую революцию», — заключает Корвин.