Amikor üvegről beszélünk, a hétköznapi emberek az ablakra, poharakra, szemüvegre, okostelefon-kijelzőre gondolnak, azonban a fizikusok számra az üvegszerű anyagok jóval többet jelentenek ezeknél. Bármilyen szilárd anyag lehet üvegszerű, amelynek rendezetlen a molekulaszerkezete, például sok műanyag, fémüveg, sőt néhány biológiai anyag is.
Egy kristályos szilárd anyagban a molekulák szabályos, kiszámítható mintázatban helyezkednek el, ezzel szemben az üveg molekulái véletlenszerűen, amorf szerkezetben, az anyag mégis szilárd. Érdekes fizikai kérdés, hogy miért alakul az üveg olvadt állapotból merev, szilárd anyaggá, miközben folyadék módjára őrzi meg a rendezetlen belső szerkezetet.
A tudósok régóta gyanítják, hogy létezik egy „ideális üveg” állapot. Walter Kauzmann, a Princetoni Egyetem vegyésze állított fel egy elméletet arról, hogy amint az üveg rendkívül hideg hőmérsékletre hűl, akkor végül eléri azt az ideális állapotot, amelyben a molekulák a lehető legszorosabban helyezkednek el. Ez tehát egy olyan üveg lenne, amelyben a részecskék továbbra is véletlenszerűen helyezkednek el, de olyan hatékonyan töltik ki a teret, hogy csak egyetlen lehetséges elrendezés létezik, szemben a hagyományos üveg számos rendezetlen elrendeződésével.
Egy ilyen „ideális üvegnek” kristályos szilárd tulajdonságai lennének, és például magasabb lehetne az olvadáspontja, a rugalmassága vagy a feszültség alatti törési ellenállása. Ilyen anyagot még sosem találtak a természetben, úgyhogy nincs is mit tanulmányozni, pontosabban nem volt idáig.
Az ideális üveg részecske elrendezése (balra) és a hagyományos üvegé (jobbra)
Oregoni Állami Egyetem
Az Oregoni Állami Egyetem kutatói úgy gondolták, hogy számítógépen, matematikai modellezés segítségével fogják – virtuálisan – előállítani ezt a bizonyos ideális üveget. Egy egyszerűsített rendszerrel kezdték, ahol a molekulákat kerek korongokként ábrázolták. A kétdimenziós kristályszerkezetből merítettek ihletet, ahol minden korongot hat szomszéd vesz körül, méhsejtszerű mintázatot kialakítva. Számítógépes modellezés segítségével végül sikerült kidolgozniuk egy olyan szerkezetet, ahol a korongok (molekulák) a lehető legszorosabb elrendezésben voltak, azonban eltávolították a kristályokra jellemző ismétlődő szerkezeteket. A konfiguráció végül teljesen rendezetlen maradt (ami az üvegre jellemző), viszont az anyag mechanikailag szilárd kristályként viselkedett, amit a különféle nyomási, hajlítási tesztek is igazoltak. A következőkben a háromdimenziós térre fogják kiterjeszteni a munkát.
Az ideális üveg szerkezetének felfedezése segíthet abban, hogy a kutatók jobban megértsék az üvegesedési folyamatot, és irányt mutathat olyan fejlett anyagok előállítására, amelyek a fémek szilárdságát az üvegszerű szerkezetek rugalmasságával ötvözik.
Ha máskor is tudni szeretne hasonló dolgokról, lájkolja a HVG Tech rovatának tudományos felfedezésekről is hírt adó Facebook-oldalát.
