JAV fizikai teigia kompiuterinėje simuliacijoje pirmą kartą pademonstravę, kad vadinamasis idealus stiklas gali egzistuoti. Tai padeda išspręsti dešimtmečius gvildentą paradoksą, susijusį su stiklo perėjimu ir entropija.

Įprastas stiklas, iš kurio geriate vandenį, savo sandara kai kuo panašesnis į skystį nei į ledo kristalus. Jo molekulės išsidėsčiusios netvarkingai, tarsi skystyje – tai viena iš daugybės galimų atsitiktinių konfigūracijų.

Idealus stiklas būtų kitoks. Iš pirmo žvilgsnio jis irgi atrodytų amorfiškas, tačiau jo dalelių išsidėstymas neturėtų alternatyvų – fizikos terminais, tokia būsena turėtų minimalią entropiją.

Šią idėją dar 1948 m. aptarė chemikas Walteris Kauzmannas. Jis svarstė, kad skysčiams vėstant ir pereinant į stiklą entropija mažėja, todėl teoriškai galėtų egzistuoti pakankamai žema temperatūra, kurioje ji išnyktų visiškai. Toks išsidėstymas išliktų „atsitiktinis“, bet būtų supakuotas taip tiksliai, kad persitvarkyti į kitą būseną nebegalėtų.

Vis dėlto daugelį metų mokslininkai ginčijosi, ar toks, paradoksaliai tvarkingas, stiklas apskritai įmanomas.

Naujame tyrime „Oregono universiteto“ fizikė Viola Bolton-Lum su kolegomis kompiuteriniais modeliais parodė, kad idealus stiklas įmanomas dvimatėje sistemoje. Jų modeliuose gauta būsena, kurioje dalelės išsidėsto amorfiškai, tačiau kartu yra labai tvarkingos ir vienodos, todėl medžiaga elgiasi panašiai kaip tobulas kristalas.

„Be to, kad išsprendžia seną mįslę, ši metodika yra vertingas kelias greičiau sukurti gerai suekvilibruotas stikliškas sistemas“, – rašo tyrėjai publikuotame straipsnyje.

Pasak jų, tokia ideali pakuotė leistų išsamiai tyrinėti ir aiškinti dvimačių „užstrigusių“ (angl. jammed) ir stikliškų sistemų savybes.

Tyrėjai pabrėžia, kad įprastas vėsinimas idealios būsenos nepasiektų – tam reikėtų begalinio laiko. Todėl simuliacijose jie pritaikė savotišką „apėjimą“: leido dalelėms pakuojantis keisti savo dydį. Būtent ši papildoma laisvės laipsnio galimybė, anot mokslininkų, ir suteikė reikiamą lankstumą.

Taip gautas stiklas išlieka amorfiškas, bet demonstruoja kristalams būdingas savybes. Konkrečiai, jis yra gerokai tvirtesnis ir stabilesnis nei įprastas stiklas, o kiekviena dalelė vidutiniškai turi šešis kontaktus su kaimyninėmis dalelėmis, kas suteikia papildomą atramą.

„Manome, kad radome sprendimą, parodydami, jog tokia būsena visai nėra paradoksas. Iš tiesų mes galime ją sukonstruoti“, – „Phys.org“ teigė „Oregono universiteto“ fizikas Ericas Corwinas.

Viena ryškiausių idealiojo stiklo savybių būtų jo reakcija į smūgį. Jei įprastame stikle vibracijos yra ganėtinai chaotiškos, idealus stiklas, pasak tyrėjų, vibruotų visiškai tolygiai – panašiai kaip deimantas.

Taip pat medžiagoje pasireikštų vadinamoji hiperuniformumo savybė: pažvelgus iš arti nebūtų nei dalelių sankaupų, nei tuščių tarpų – kiekviena dalelė užimtų „teisingą“ erdvės dalį.

Vis dėlto svarbu pažymėti, kad tai – teorinis darbas. Idealaus stiklo laboratorijoje kol kas niekas nesukūrė. Tyrėjai pripažįsta, kad standartiniai kaitinimo ir vėsinimo procesai tokios būsenos nesuteiks – reikės naujų metodų, jei tokį stiklą norima pagaminti realiai.

Nepaisant to, tyrimas rodo, kad idealus stiklas nėra neįmanomas, o dėl savo išskirtinių savybių ateityje galėtų būti pritaikytas įvairiose srityse. Kokiose tiksliai – kol kas anksti spręsti, nes pati medžiagos koncepcija dar tik pradedama rimčiau nagrinėti.

Tyrėjų teigimu, dabar svarbiausias klausimas – kaip simuliacijose naudotą „apėjimą“ (dalelių dydžio keitimą pakuojant) būtų galima atkartoti realiuose gamybos procesuose.

„Praktikoje tokioms pakuotėms sukurti reikės naujų metodų, nes jų neįmanoma pasiekti įprastais terminiais ar mechaniniais procesais“, – rašo mokslininkai. „Norint tokias sistemas sukurti realybėje, reikėtų sukurti fizinį mūsų algoritmo įgyvendinimą.“