Jos lasi ei ole kiinteää tai nestettä, niin mikä se on? Kuva Flickr-käyttäjä -Kenzie-
Lasillinen merlot saattaa tehdä maailmasta näyttävän ruusuista, mutta se voi myös olla turhautumista fyysikoille. Viini kaataa, roiskuu ja pyörii, mutta lasi pysyy jäykänä kiinteänä astiana. Lähennä merlottia ja näet molekyylejä, jotka pidetään lähellä toisiaan, mutta liikkuvat ilman kiinteää sijaintia. Lähennä viinilasiä ja näet myös tämän epäjärjestyllisen järjestelyn, mutta ei liikettä.
Atomitasolla aineen kaksi muotoa näyttävät samalta. Vaikka lasi on pakastettu kiinteänä aineena, siitä puuttuu jäykkä kiteinen rakenne, jota esiintyy esimerkiksi jääpalat.
Lasia tutkineet tutkijat havaitsivat vääristyneitä ikosaedronien versioita (vasemmalla puolella oleva icosahedron, oikealla vääristynyt versio). Kuva Science / Chenin ja Kotanin kautta
Vaikka käsityöläiset ovat valmistaneet lasia vuosituhansien ajan, ja tutkijat ovat tutkineet sen rakennetta vuosikymmenien ajan, toistaiseksi ei ole ollut selkeää kokeellista näyttöä vahvistaakseen sitä, mikä estää lasia muodostavia nesteitä kiteytymästä. Science- verkossa julkaistussa uudessa lehdessä japanilaisten tutkijoiden ryhmä käytti suuritehoista elektronidiffraktiomikroskooppia nähdäksesi lasin pienimmillä asteikoilla. Niin korkealla resoluutiolla he näkivät, mikä näyttää olevan perusyksikkö joillekin lasille - atomeille, pakattu vääristyneeseen ikosaedronin versioon, kolmiulotteiseen muotoon, jossa on 20 pintaa.
Kehittyneillä geometrisillä työkaluilla ryhmä luonnehti vääristymiä ja ilmoitti paperissa, että niiden avulla järjestelmä voi pitää kiinni tiheästä atomipakkauksesta ja alhaisen energian tilasta. Tutkijat toteavat, että tietyt atomien järjestelyt ovat lasimaisuuden ydin, koska ne häiritä hyvin organisoitu kristalli.
Useat näkymät lasin sisällä olevista atomien mikroskooppikuvista (oikealla) antoivat tutkijoille kaavion atomien (vasemmalla) järjestäneiden erityisten ikosaedronien vääristymisen tasosta. Kuva Science / Chenin ja Kotanin kautta
Vaikka tutkijat tutkivat zirkoniumista ja platinasta valmistettua lasia, ei keskimääräistä ikkunapaneeliasi, tulokset voivat olla lasien kohdalla laajemmat. Ymmärtämällä atomien organisointitavat materiaalitieteilijät voivat löytää tapoja tehdä uusia laseja ja manipuloida saamiaan.
Mutta lasi on kaukana tajunnasta. Vaikka tutkimus selittää miksi jotkut nesteet muodostavat lasit kiteytymisen sijaan se ei selitä miksi nämä nesteet voivat tulla tarpeeksi hitaiksi kiinteiksi, sanoo Duke Universityn kemisti Patrick Charbonneau. Suuri tiedemiesyhteisö on yrittänyt ratkaista hitauden 1980-luvulta lähtien , mutta he eivät voi päästä yksimielisyyteen ratkaisusta ja he kiistävät jopa parhaan lähestymistavan.
Yksi suosittu strategia vie askeleen taaksepäin yrittääksesi ymmärtää, kuinka atomit täyttävät annetun tilan. Se kohtelee lasin atomeja kovina palloina, jotka on pakattu yhteen. Yksinkertainen, eikö totta? "Ei ole kvanttimekaniikkaa, ei ole jousuteoriaa, sinun ei tarvitse vedota ulkoavaruuteen", Charbonneau sanoo. Ja vaikka lasin opiskelu tällä tavoin on osoittautunut uskomattoman vaikeaksi johtuvien komplikaatioiden takia, kun selvitetään, mitkä asiat niin monet hiukkaset voivat käyttää. Pallojen järjestelyjen kuvaamiseen liittyvän haasteen lisäksi lähestymistapa on yksinkertaistaminen, eikä ole selvää, kuinka tarkoituksenmukaista se olisi reaalimaailman silmälasien suhteen.
Silti Charbonneau näyttää olevan jännittynyt, kun hän puhuu sellaisista tutkimusongelmista. Hänen merlottilasi on puoliksi täynnä, koska hän uskoo, että viimeiset vuodet ovat tuoneet valtavaa edistystä. Hänen mukaansa tutkijat ovat tullut luovammiksi kysyessään lasista. Charbonneaun oma tutkimus simuloi lasia korkeammissa ulottuvuuksissa, havainnoilla, joilla voi olla tärkeitä vaikutuksia kolmiulotteisen lasin häiriöasteeseen. Muut tutkijat harkitsevat mitä tapahtuisi, jos kiinnität hiukkasia jäähdytettyyn nesteeseen toivoen valaisevansa, kuinka tällaiset nesteet saavuttavat lasisen tilan. Vielä useammat harkitsevat lasin atomeja kokonaisuuksina, jotka voivat liikkua yksinään, ikään kuin biologiset solut. Kaikilla näillä pyrkimyksillä yritetään määritellä vuorovaikutustyypit, jotka edistävät lasin muodostumista, jotta tutkijat tunnustavat todella hyvän hitauden teorian nähdessään sen.
Kaikesta tästä liikettä koskevasta puheesta huolimatta älä odota viinilasiisi virtaavan millään näkyvällä tavalla milloin tahansa pian. Tämä lasi ”kestää kauemmin kuin maailmankaikkeuden aikataulu”, Charbonneau sanoo. Väittää, että keskiaikaisten katedraalien lasimaalaukset ovat pohjassa paksumpia, koska lasivirtaukset ovat kerrossänkyä. Mutta tarkalleen miksi se ei valu, on edelleen mysteeri.
