Vedci vytvorili „ideálne sklo“. Môže byť extrémne pevné, hoci jeho štruktúra odporuje logike
Vedci vytvorili prvý model ideálneho skla, ktoré spája chaotickú štruktúru s pevnosťou kryštálu. Objav môže zmeniť displeje, optiku aj vývoj extrémne odolných materiálov.
So sklom sa stretávame dennodenne v okne, mobile aj okuliaroch. Na prvý pohľad ide o obyčajný materiál, no z fyzikálneho hľadiska patrí medzi najväčšie záhady.
Vedci už desaťročia riešia jednoduchú otázku, ako môže byť sklo pevné ako pevná látka, keď jeho vnútorná štruktúra pripomína skôr kvapalinu?
Tím fyzikov z University of Oregon teraz urobil výrazný krok vpred. Na počítači vytvoril prvý model tzv. „ideálneho skla“, materiálu, ktorý kombinuje neusporiadanú štruktúru s vlastnosťami kryštálu.
Sklo v sebe ukrýva viac prekvapení, než by si povedal
Keď sa voda ochladí, vytvorí ľad. Molekuly sa usporiadajú do pravidelnej mriežky. Pri skle sa to však nestane. Molekuly sa síce „zastavia“, ale neusporiadajú sa do pravidelného vzoru. Zostanú v chaotickom stave, podobne ako zrnká piesku na pláži.
„Molekuly sú natlačené na sebe, ale nemajú žiadnu štruktúru,“ vysvetlil fyzik Eric Corwin.
Sklo je pevné, drží tvar a odoláva tlaku. Zároveň však nemá usporiadanú štruktúru ako kryštál. To je z fyzikálneho pohľadu paradox.
Neprehliadni
Jedna z najväčších prekážok sa skrýva v čase. Aby sa molekuly dostali do ideálneho, maximálne hustého, ale stále neusporiadaného stavu, muselo by sa sklo ochladzovať extrémne pomaly. V praxi by takýto proces trval nepredstaviteľne dlho, odhady hovoria o časoch presahujúcich vek vesmíru. To znamená, že ideálne sklo sa v prírode jednoducho nevytvorí.
Tím vedcov preto zvolil inú cestu. Namiesto čakania na prirodzený proces „preskočili“ jeho priebeh pomocou výpočtov. V počítači priamo vytvorili výslednú štruktúru bez toho, aby museli simulovať celý proces krok za krokom.
Je to podobné, ako keby si poznal riešenie zložitého hlavolamu bez toho, aby si ho musel skladať.
Vedci vytvorili „najlepšiu možnú štruktúru“
Pri simulácii použili jednoduchý model, disky, ktoré reprezentovali molekuly. Inšpiráciu si vzali z kryštálov, kde má každý prvok presne definovaných susedov. Následne zachovali maximálne husté usporiadanie, ale odstránili pravidelnosť.
Výsledkom bol materiál, ktorý:
- nemá kryštalickú štruktúru
- zároveň dosahuje extrémnu stabilitu
Sklo, ktoré už len tak ľahko nerozbiješ
Bežné sklo sa rozbije preto, že obsahuje „slabé miesta“. V jeho chaotickej štruktúre vznikajú drobné priestory, kde sa pri náraze začne šíriť prasklina.
Ideálne sklo by tento problém výrazne obmedzilo. Molekuly sú v ňom natlačené na maximum, takže voľné priestory takmer neexistujú. Materiál sa pri zaťažení správa kompaktnejšie, skôr ako jeden celok než súbor slabších bodov.
Ak by sa takýto materiál podarilo vyrobiť, mohol by výrazne zmeniť vlastnosti vecí, ktoré dnes považuješ za krehké, napríklad displeje alebo ochranné sklá. Vedci testovali, ako sa tento model správa pri rôznych podmienkach.
Skúmali reakcie na tlak, ohyb aj teplotu. Výsledok ukázal, že materiál sa mechanicky správa takmer identicky ako kryštál, aj keď jeho štruktúra ostáva úplne neusporiadaná.
To znamená, že stabilita nemusí vzniknúť len z poriadku, ale aj z extrémne efektívneho „chaosu“.
Potenciálne využitie nekončí pri bežných materiáloch. Veľký význam môže mať ideálne sklo v optike, najmä pri teleskopoch. Súčasné zrkadlá reagujú na zmeny teploty, mierne sa deformujú, čo zhoršuje kvalitu obrazu.
Ideálne sklo by vďaka svojej hustote a stabilite mohlo mať minimálnu tepelnú rozťažnosť.
To by znamenalo ostrejšie snímky vesmíru, presnejšie merania a celkovo stabilnejšie optické systémy, ktoré by menej reagovali na zmeny teploty a zachovali si vyššiu presnosť aj v náročných podmienkach.
„Kovové“ sklá sú ďalšou sférou, ktorou sa výskumníci môžu vydať
Zaujímavou oblasťou sú aj kovové sklá. Tie kombinujú pevnosť kovov s neusporiadanou štruktúrou.
Problém spočíva v ich výrobe, vyžadujú extrémne rýchle chladenie. Ak vedci pochopia princípy ideálneho skla, mohli by navrhovať materiály, ktoré sa budú dať vyrábať jednoduchšie.
„Mohli by sme formovať motor auta alebo dokonca stíhačku,“ hovorí Corwin.
Vedci prvýkrát ukázali, že je možné vytvoriť materiál, ktorý kombinuje výhody kryštálu a skla bez klasickej štruktúry. Zatiaľ síce ide len o matematický model, ten však mení pohľad na to, ako môže vyzerať pevná látka.
Zároveň naznačuje, že aj bežné materiály, ktoré používaš každý deň, v sebe skrývajú oveľa viac, než sa na prvý pohľad zdá.
