MWC 2018
2018
Computex
IFA 2018
Исследователи из США нашли теоретическую возможность объяснить парадокс конца 40-х годов прошлого века — секрет «идеального стекла», или парадокс Кауцмана. В 1948 году Уолтер Кауцман (Walter Kauzmann) предположил существование аморфного материала с минимальной (почти нулевой) энтропией, который при этом сохраняет хаотичное расположение частиц, но обладает исключительной стабильностью и упорядоченностью. Это был бы чудесный материал, но его так и не создали.
A — идеальное стекло, B — обычное (круги — это упрощение моделирования, а не атомы). Источник изображения: Phys. Rev. Lett., 2026
Группа физиков из Университета Орегона (University of Oregon) провела теоретическое исследование, которое показало, что так называемое «идеальное стекло» теоретически возможно. Долгие десятилетия учёные считали существование такого состояния парадоксальным, поскольку обычное охлаждение жидкого раствора или расплава до стеклообразного состояния не позволяет достичь истинного минимума энергии (атомов, молекул или частиц) без кристаллизации.
Ключевой прорыв произошёл, когда учёные допустили «читерский» приём в компьютерной симуляции. При воспроизведении двумерного аморфного материала они позволили частицам менять свой размер в процессе упаковки по мере остывания. Это дало дополнительную степень свободы и позволило создать конфигурацию, при которой структура материала при затвердевании остаётся полностью аморфной, но достигает состояния гиперупорядоченности. Энергия частиц падает ниже той, которая достигается при кристаллизации, но сама кристаллизация не возникает.
Модель показала, что в таком случае каждая частица в материале будет иметь в среднем шесть контактов с соседями; в нём будут отсутствовать сгустки и пустоты, а механически материал будет вести себя подобно идеальному кристаллу. При внешнем воздействии (например, ударе) колебания распространяются равномерно, как в алмазе.
Разрешение парадокса Кауцмана происходит благодаря тому, что традиционные пути (медленное охлаждение) действительно не способны привести к идеальному стеклу за конечное время — система застревает в метастабильных состояниях с избыточной энтропией. Однако симуляция доказывает: такое состояние не противоречит физике, оно просто требует нестандартного способа формирования.
Полученное «идеальное стекло» демонстрирует свойства кристалла (высокие стабильность, жёсткость и упругость), оставаясь при этом аморфным по структуре. Открытие имеет важное теоретическое значение для понимания стеклообразных и аморфных систем в целом, а также открывает перспективы поиска новых подходов к созданию сверхстабильных аморфных материалов.
Например, в таком состоянии металлы могут быть аморфными, а не кристаллическими, не теряя электропроводности и приобретая упругость и повышенную жёсткость, что могло бы найти применение в авиации и космонавтике. Если говорить более приземлённо, то солнечным панелям на крышах и на фермах тоже не помешало бы более устойчивое к граду и повреждениям стекло — одновременно упругое и жёсткое.
К сожалению, учёные пока не знают методов производства таких материалов. Но сама физика подобных состояний — это уже обещание будущих возможностей. Технологии могут быть не только утерянными, но и ещё не обретёнными.
Источник:
