Источник: Physical Review Letters.
Специалисты из Университета Орегона (США) разработали первую цифровую модель так называемого «идеального стекла» — субстанции, долгое время считавшейся физическим противоречием. Исследование доказывает, что подобное состояние материи достижимо, как минимум, в двумерном пространстве.
Виктор Левин
Суть «идеального стекла» и причины сомнений в его существовании
Традиционное стекло является аморфным: расположение его атомов и молекул неупорядоченно, напоминая переохлажденную жидкость, а не четкую повторяющуюся решетку, присущую кристаллам. Именно эта нерегулярность обеспечивает стеклу твердость, но и хрупкость, а также допускает множество вариантов размещения частиц.
Концепция «идеального стекла» была предложена еще в 1948 году химиком Уолтером Каузманном. Он обнаружил, что при глубоком переохлаждении энтропия (степень неупорядоченности) жидкости снижается быстрее, чем у кристалла, и теоретически может достичь нуля. Это означало бы, что вещество обретает единственно возможную структуру. Однако как бесформенный материал может обладать столь же низкой энтропией, как и упорядоченный кристалл? Данная дилемма, известная как парадокс Каузманна, многие годы оставалась неразрешимой для науки.
Метод компьютерного «сборки» безупречного стекла
В новом проекте группа исследователей во главе с Эриком Корвином использовала симуляцию двумерной системы частиц (дисков), которым позволили изменять диаметр в ходе уплотнения. Данный подход, аналогичный неравновесным методикам получения сверхустойчивых стекол в трехмерных средах, помог преодолеть барьеры стандартного охлаждения.
Результат оказался впечатляющим: была получена аморфная структура с нулевой конфигурационной энтропией. Визуально она кажется случайной, однако каждая частица в среднем имеет шесть контактов с окружающими — это показатель идеальной упаковки, схожей с гексагональной кристаллической решеткой, но без ее дальнего порядка.
«Мы полагаем, что нашли разгадку, продемонстрировав, что такое состояние — не парадокс. Его действительно можно сконструировать», — прокомментировал Эрик Корвин в беседе с Phys.org.
Характеристики, открывающие новые горизонты
Смоделированное «идеальное стекло» проявляет exceptional стабильность и прочность. При механическом воздействии колебания в нем распространяются равномерно, подобно кристаллу, а не затухают беспорядочно, как в обычном стекле. Это наделяет материал повышенной устойчивостью к разрушению и деформациям.
Ключевой момент: добиться такого состояния обычным охлаждением жидкости невозможно — время релаксации становится бесконечно большим. Однако компьютерное моделирование показало, что неравновесные методы (например, варьирование размеров частиц или иные приемы контролируемой упаковки) позволяют создать эту структуру напрямую.
Пока работа ведется лишь в двумерной модели, но ученые уверены: принцип можно перенести и на трехмерные системы. Это создает предпосылки для получения новых материалов — сверхпрочных стекол, высокостабильных покрытий или даже веществ с особыми оптическими и механическими свойствами.
Таким образом исследователи из Университета Орегона впервые воссоздали в модели «идеальное стекло» — аморфный материал с нулевой конфигурационной энтропией, который по механическим свойствам аналогичен кристаллу. Работа разрешает парадокс Каузманна 1948 года и демонстрирует, что подобное состояние достижимо с помощью неравновесных методов в двумерной системе. Хотя реальный материал еще не создан, модель прокладывает путь к сверхпрочным стеклам будущего. Научная статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Между тем учёные из Японии, как сообщали Химагрегаты», создали новое поколение твёрдотельных аккумуляторов на основе магния и кислорода воздуха. Данная разработка отличается улучшенными показателями безопасности, стойкостью к износу и механической гибкостью. Эта технология потенциально может стать более доступной и долговечной заменой распространённым сегодня литиевым батареям, применяемым в электротранспорте и накопителях энергии.