به گزارش ایسنا، فیزیکدانان در ایالات متحده می‌گویند که یک شبیه‌سازی ایجاد کرده‌اند که برای اولین بار نشان می‌دهد «شیشه ایده‌آل» امکان‌پذیر است و یک تناقض چند دهه‌ای را حل می‌کند.

از برخی جهات، نوع شیشه‌ای که در آن آب و ‌یخ ریخته‌ایم و می‌نوشیم، بیشتر با مایع مشترک است تا کریستال‌های یخ‌زده‌ای که درون آن شناور هستند. مولکول‌های آن مانند مولکول‌های یک مایع، در هم آمیخته‌اند؛ ساختاری تصادفی از تنها یکی از بی‌شمار آرایش‌های ممکن.

یک شیشه ایده‌آل اما متفاوت است. چیزی که به نظر می‌رسد مجموعه‌ای درهم‌ریخته از مولکول‌ها باشد، هیچ گزینه دیگری نخواهد داشت یا همانطور که در فیزیک شناخته شده است، یک آنتروپی حداقلی است.

این نوع شیشه اولین بار در سال ۱۹۴۸ توسط یک شیمی‌دان به نام والتر کائوزمان(Walter Kauzmann) مورد بحث قرار گرفت که پیشنهاد داد از آنجایی که آنتروپی با سرد شدن مایعات و تشکیل شیشه کاهش می‌یابد، می‌تواند دمایی به اندازه کافی پایین وجود داشته باشد که آن را به طور کامل از بین ببرد. این هنوز یک آرایش تصادفی خواهد بود، اما آنقدر دقیق فشرده می‌شود که نمی‌توان آن را به روش دیگری پیکربندی کرد.

در دهه‌های پس از آن، امکان‌سنجی چنین شیشه‌ای که به طور متناقضی منظم شده است، به طور گسترده مورد بحث قرار گرفته است.

اکنون در یک مطالعه جدید، ویولا بولتون-لام(Viola Bolton-Lum)، فیزیکدان دانشگاه اورگان و همکارانش، با استفاده از مدل‌های کامپیوتری نشان دادند که شیشه ایده‌آل در حالت دوبعدی امکان‌پذیر است. این یعنی شیشه‌ای با ذراتی که آرایش آمورف دارند، اما بسیار منظم و یکنواخت نیز هستند، بنابراین مانند یک کریستال کامل رفتار می‌کنند.

محققان در مقاله منتشر شده خود می‌نویسند: این روش علاوه بر حل یک راز دیرینه، یک میانبر ارزشمند در تولید سیستم‌های شیشه‌ای متعادل است. ایجاد چنین بسته‌بندی ایده‌آلی، کاوش و توضیح کامل سیستم‌های شیشه‌ای و متراکم دوبعدی را ممکن می‌سازد.

از ابتدا مشخص بود که خنک‌سازی معمولی برای رسیدن به حالت ایده‌آل شیشه کارساز نیست و این کار به زمان نامحدودی نیاز دارد. بنابراین محققان برای مدل‌های خود، نوعی کد تقلب معرفی کردند که به ذرات شیشه اجازه می‌دهد هنگام پیکربندی، اندازه خود را تغییر دهند.

پیکربندی ذرات

این درجه انعطاف‌پذیری اضافی، تفاوت ایجاد می‌کند و شیشه‌ای را ایجاد می‌کند که به نظر آمورف می‌رسد، اما خواص کریستالی از خود نشان می‌دهد. به طور خاص، شیشه حاصل بسیار جامدتر و پایدارتر از حالت عادی است و هر ذره به طور متوسط ​​شش نقطه تماس با همسایه برای آن پشتیبانی اضافی دارد.

اریک کوروین(Eric Corwin)، فیزیکدان دانشگاه اورگان می‌گوید: ما فکر می‌کنیم که با نشان دادن اینکه چنین حالتی به هیچ وجه یک پارادوکس نیست، به یک راه‌حل رسیده‌ایم. در واقع، ما می‌توانیم آن را بسازیم.

یکی از تفاوت‌های این شیشه با شیشه معمولی، نحوه واکنش آن در صورت وارد شدن ضربه است. بدین معنی که به جای اینکه ضربه باعث ارتعاشات نسبتاً نامنظم و آشفته در شیشه معمولی شود، شیشه ایده‌آل با یکنواختی کامل (مانند یک الماس) ارتعاش می‌کند.

همچنین در این ماده جدید چیزی به نام فرایکنواختی(hyperuniformity) وجود خواهد داشت. بدین معنی که وقتی از نزدیک مشاهده می‌کنید، هیچ توده‌ای از ذرات یا شکاف‌های خالی را مشاهده نمی‌کنید و هر ذره دقیقاً مقدار مناسبی از فضا را اشغال می‌کند.

لازم به ذکر است که این تحقیق در حد تئوری است و هنوز کسی شیشه ایده‌آل را در آزمایشگاه تولید نکرده است. در واقع، محققان اذعان دارند که فرآیندهای گرمایش و سرمایش استاندارد برای ایجاد این شیشه هنوز کافی نیستند و قبل از تولید آن باید رویکردهای جدیدی پیدا شود.

با این حال، این کار نشان می‌دهد که ساخت شیشه ایده‌آل، غیرممکن نیست و با توجه به خواص خاص آن، احتمالاً برای اهداف متنوع زیادی مناسب خواهد بود.

با توجه به اینکه هنوز روزهای اولیه برای تصور این ماده است، گفتن اینکه آن اهداف چه می‌توانند باشند، دشوار است.

موارد زیادی برای بررسی محققان در مورد شیشه ایده‌آل و توسعه آن وجود دارد، به ویژه اینکه چگونه کد تقلب مورد استفاده در شبیه‌سازی‌ها می‌تواند در فرآیندهای تولید فیزیکی واقعی تکرار شود. با توجه به پیشرفت‌های علم مواد، دلیلی وجود دارد که باور کنیم شیشه ایده‌آل ممکن است روزی وجود داشته باشد.

محققان می‌گویند: برای ایجاد چنین پیکربندی‌هایی در عمل، رویکردهای بدیعی ضروری خواهد بود، زیرا از طریق فرآیندهای حرارتی یا مکانیکی معمول قابل دستیابی نیستند. برای ایجاد چنین سیستم‌هایی در عمل، باید یک پیاده‌سازی فیزیکی از الگوریتم ما توسعه داده شود.

این تحقیق در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

انتهای پیام