Kristal Gibi Davranan ‘İdeal Cam’ Sonunda Mümkün Olabilir

Bazı açılardan, buzlu su içtiğiniz cam, içinde yüzen donmuş kristallerden çok sıvıyla daha fazla ortak noktaya sahiptir. Molekülleri, sayısız olası düzenlemeden sadece birinde rastgele bir yapı oluşturan sıvıdaki moleküller gibi karışık bir yapıya sahiptir.

İdeal cam ise farklıdır. Karışık bir molekül yığını gibi görünen bu camda başka bir seçenek yoktur veya fizikte bilindiği gibi, minimum entropi vardır.

Bu tür cam ilk olarak 1948'de kimyager Walter Kauzmann tarafından tartışıldı. Kauzmann, sıvılar soğudukça ve cam oluşturdukça entropinin düştüğünü, bu nedenle onu tamamen ortadan kaldıracak kadar düşük bir sıcaklık olabileceğini öne sürdü. Bu yine rastgele bir düzenleme olurdu, ancak o kadar hassas bir şekilde paketlenmiş olurdu ki başka hiçbir şekilde yeniden yapılandırılamazdı.

O zamandan bu yana, bu kadar paradoksal bir şekilde düzenlenmiş bir camın uygulanabilirliği yoğun bir şekilde tartışıldı.

Yeni çalışmada, Oregon Üniversitesi fizikçisi Viola Bolton-Lum ve meslektaşları, bilgisayar modelleri kullanarak ideal camın 2D'de mümkün olduğunu gösterdi – amorf bir düzenlemeye sahip, ancak aynı zamanda son derece düzenli ve tekdüze parçacıklara sahip, bu nedenle mükemmel bir kristal gibi davranan bir cam.

Araştırmacılar yayınladıkları makalede, “Bu metodoloji, uzun süredir devam eden bir gizemi çözmenin yanı sıra, iyi dengelenmiş camsı sistemlerin oluşturulmasında değerli bir kısayol sunuyor” diye yazıyor.

“Böyle ideal bir paketleme oluşturmak, iki boyutlu sıkışmış ve camsı sistemlerin tam olarak araştırılmasını ve açıklanmasını mümkün kılar.”

Normal soğutmanın ideal cam durumuna ulaşmak için işe yaramayacağı, bunun sonsuz bir zaman alacağı açıktı. Modellerinde, cam parçacıklarının paketlenirken boyutlarının değiştirilmesini sağlayan bir tür hile kodu kullandılar.

Bu ekstra esneklik fark yaratıyor ve amorf görünümlü ancak kristal özellikler sergileyen bir cam elde ediliyor. Özellikle, elde edilen cam normalden çok daha sağlam ve kararlıdır ve her parçacık, ekstra destek için komşusuyla ortalama altı temas noktasına sahiptir.

Oregon Üniversitesi'nden fizikçi Eric Corwin, Phys.org'dan Ingrid Fadelli'ye “Böyle bir durumun hiç de paradoks olmadığını göstererek bir çözüme ulaştığımızı düşünüyoruz” dedi. “Gerçekten de bunu inşa edebiliriz.”

Bu camın normal camdan farklı olacağı bir nokta, darbeye maruz kaldığında nasıl tepki vereceğidir. Normal camda görülen rastgele ve düzensiz titreşimlerin aksine, ideal cam mükemmel bir düzgünlükle titreşir – örneğin bir elmas gibi.

Yeni malzemede hiperdüzgünlük de söz konusu olacaktır. Yakından bakıldığında, herhangi bir parçacık kümelenmesi veya boşluk görülmez, her parçacık tam olarak doğru miktarda yer kaplar.

Bu araştırmanın teorik olduğunu unutmamak önemlidir: Henüz kimse laboratuvarda ideal cam üretmemiştir. Aslında, araştırmacılar standart ısıtma ve soğutma işlemlerinin bu camı üretmek için yeterli olmayacağını kabul ediyorlar – üretilebilmesi için yeni yaklaşımlar bulunması gerekecek.

Ancak bu çalışma, ideal camın imkansız olmadığını ve özel özellikleri nedeniyle birçok farklı amaç için uygun olabileceğini göstermektedir. Bu malzemeyi hayal etmek için henüz çok erken olduğu için, bu amaçların ne olabileceğini söylemek zor.

Araştırmacıların ideal cam ve onun geliştirilmesi konusunda, özellikle simülasyonlarda kullanılan hile kodunun gerçek fiziksel üretim süreçlerinde nasıl kopyalanabileceği konusunda araştırması gereken çok şey var. Malzeme biliminin ilerlemesi göz önüne alındığında, ideal camın bir gün var olabileceğine inanmak için nedenler vardır.

Araştırmacılar, “Bu tür paketlemeleri pratikte oluşturmak için yeni yaklaşımlar gerekli olacaktır, çünkü bunlar yaygın termal veya mekanik süreçlerle elde edilemez” diye yazıyor.

“Bu tür sistemleri pratikte oluşturmak için algoritmamızın fiziksel bir uygulaması geliştirilmelidir.”