Ученые впервые смоделировали теоретическое идеальное стекло
Американские физики из Орегонского университета под руководством Эрика Корвина создали компьютерную модель так называемого «идеального стекла» — гипотетического материала, который ученые безуспешно искали с середины XX века. Используя передовые методы компьютерного моделирования, исследователям удалось сконструировать структуру, в которой молекулы упакованы максимально плотно и стабильно, но при этом сохраняют аморфное, то есть неупорядоченное, состояние, в отличие от кристаллов с их строгой периодической решеткой.
Сама концепция «идеального стекла» была предложена еще в 1948 году химиком Уолтером Кауцманном, который предположил, что при сильном охлаждении жидкость может перейти в идеально стабильное аморфное состояние. Однако в природе такой феномен никогда не наблюдался, что не позволяло ученым изучить его свойства. Команда Корвина решила обойти это ограничение, смоделировав идеальную структуру математически. В качестве отправной точки они использовали упрощенную двумерную систему, где молекулы представлены в виде круглых дисков, и вдохновлялись структурой кристаллов с их плотной упаковкой. Главной задачей было сохранить эту плотность, но полностью разрушить кристаллический порядок.
В результате моделирования ученые получили конфигурацию, которая осталась полностью беспорядочной (аморфной), но при этом демонстрировала механические свойства, идентичные кристаллу. Тесты на сжатие, изгиб и плавление подтвердили, что созданная модель обладает механической стабильностью, сравнимой с кристаллическими материалами, хотя и лишена их структуры. «Наша структура механически ведет себя так же, как кристалл, несмотря на то, что она полностью аморфна», — объяснил Эрик Корвин.
Это открытие имеет большое значение для фундаментальной науки, так как позволяет глубже понять природу стеклования — процесса перехода жидкости в твердое стеклообразное состояние. Кроме того, работа открывает перспективы для создания новых промышленных материалов, в частности металлических стекол, которые сочетают прочность металлов и эластичность стекла. Основная сложность в производстве таких материалов сегодня заключается в необходимости их сверхбыстрого охлаждения. Лучшее понимание процессов стеклования, как отмечает Корвин, позволит создавать сплавы, которые можно будет охлаждать медленно, что сделает возможным литье сложных и прочных деталей, например, для двигателей автомобилей или элементов самолетов. В ближайших планах исследователей — расширить свою работу и создать трехмерную модель «идеального стекла».
Результаты исследования в журнале Physical Review Letters.