Sticla este un solid sau un lichid?
Înainte ca Pilkington să fi inventat sticla plată pe la mijlocul secolului al 20-lea, nu s-au putut obţine geamuri plate. Sticla din cadrul panourilor ce au fost realizate în Evul Mediu era neuniformă ca grosime.
Unii au crezut că acest lucru s-ar datora faptului că sticla este un lichid care se scurge încet de-a lungul secolelor. Această presupunere este însă greșită.
Deși sticla nu se deplasează într-o perioadă de timp, de ordinul secolelor, adevărata natură a sticlei, dacă acesta este cu adevărat un solid sau un lichid foarte vâscos, reprezintă încă o problemă fără răspuns.
Credit: jurra8
Rezolvarea problemei, aceea de a stabili dacă sticla poate deveni cu adevărat un solid, necesită identificarea unei transformări evidente a acesteia, echivalentă cu cea prin care apa lichidă se transformă în gheață ca urmare a modificării temperaturii.
Desigur, sticla se poate afla în stare lichidă, dar devine ea cu adevărat un solid pe măsură ce se răcește?
Problema cu materialele sticloase, în plus față de „sticla” de zi cu zi, este că în cazul acestora nu se observă nicio transformare evidentă de acest fel. Pe măsură ce sticla se răceşte, nu putem afirma categoric că aceasta a devenit un solid.
Tranziția sticlei
Sticla este încă atât de puţin înțeleasă, încât nu există o recunoaştere unanimă a faptului dacă apare o astfel de tranziție. Se spune că „există mai multe teorii ale tranziției sticlei decât numărul teoreticienilor care le propun”.
În ştiinţă există, de cele mai multe ori, mai multe interpretări concurente în legătură cu un subiect anume înainte ca o explicaţie să devină acceptată de comunitatea ştiinţifică şi să fie considerată corectă.
În acest sens, modul în care înţelegem ceea ce se întâmplă atunci când un lichid este răcit, dacă acesta formează o sticlă „ideală” sau nu, reprezintă o revoluţie în ştiinţa din zilele noastre.
Motivul se datorează faptului că este greu să observăm un lichid transformându-se într-un solid perfect sau să obţinem o „sticlă ideală”, deoarece ar trebui să aşteptăm pentru aceasta o perioadă de timp extraordinar de lungă (mai mare de ordinul secolelor), deoarece procesul de transformare este foarte lent.
Cu toate acestea, comportamentul lichidelor vâscoase este surprinzător, astfel încât nu trebuie să aşteptăm atât de mult timp pentru a afla un răspuns la problema noastră.
Moleculele dintr-un lichid vâscos. Regiunile albastre sunt similare solidelor, regiunile de culoare verde, galben și roșu sunt similare lichidelor.
Dacă analizăm comportamentul microscopic al unor mici grupuri de molecule din cadrul unor fluide vâscoase, ne este greu să afirmăm dacă acestea se manifestă ca solide sau lichide. Anumite regiuni ce conţin câteva zeci de molecule sunt asemănătoare lichidelor în timp ce altele sunt similare solidelor.
În timp aceste regiuni îşi modifică comportamentul devenind similare solidelor sau lichidelor. Acest lucru este total diferit faţă de procesul prin care apa se transformă în gheaţă, atunci când toate moleculele formează împreună un solid.
S-a încercat să se răspundă la această problemă şi s-a descoperit un nou mod de înţelegere a comportamentului moleculelor din aceste regiuni de mici dimensiuni dintr-un lichid vâscos. S-a utilizat teoria informației, dezvoltată iniţial la Bletchley Park pentru spargerea codurilor criptate, pentru a afla cum moleculele din regiunile similare solidelor sau lichidelor comunică între ele.
Aceasta implică realizarea unor calcule aferente unor permutări şi combinaţii multiple care sunt în legătură directă cu interacţiunile dintre atomi. Toate aceste calcule sunt similare permutărilor şi combinaţiilor efectuate cu ocazia descifrării codului Enigma (N.t. Mașina Enigma este numele unei familii de mașini electromecanice criptografice, cu rotoare, utilizate pentru a genera cifruri pentru criptarea și decriptarea de mesaje secrete).
Comunicarea dintre moleculele aflate într-un lichid vâscos. S-a arătat că moleculele roşii comunică doar cu un grup select de vecini (indicat prin culoarea albastră). Celelalte molecule sunt „excluse” din „conversaţie”.
Fiecare moleculă „vorbeşte” cu un grup select de vecini şi acel grup de molecule poate fi caracteristic solidelor sau lichidelor. În acelaşi timp, grupurile de molecule care caracterizează solidele se organizează sub formă de icosaedru, unul din cele cinci solide platonice, aşa cum a prezis Charles Frank de la University of Bristol încă din anul 1952.
Între timp, grupurile de molecule ce caracterizează lichidele sunt mai puțin organizate, acestea generând de multe ori prisme triunghiulare şi patrulatere care nu sunt la fel de rigide ca icosaedrul caracteristic solidelor.
S-a dovedit că numărul de molecule caracteristice solidelor, cum ar fi cele ce se organizează în icosaedre se măreşte pe măsură ce fluidul devine mai vâscos și că mărimea acelor regiuni formate din molecule organizate în icosaedre devine din ce în ce mai mare.
În cele din urmă toate moleculele devin parte a acestor regiuni solide și materialul devine o sticlă ideală (solid perfect). Această concluzie susține ideea de sticlă ideală, ceea ce ne ajută să înţelegem mai bine tranziției sticlei.
Înţelegerea caracteristicilor materialelor sticloase şi a faptului dacă există cu adevărat solide formate din sticlă, constituie un ajutor foarte important în dezvoltarea sticlei metalice. Proprietăţile mecanice ale acestor materiale, cum ar fi rigiditatea, sunt superioare metalelor obişnuite.
O altă clasă importantă de materiale ce formează sticlă este reprezentată de materialele calcogenice, cele care se află la baza înregistrării optice a datelor şi care reprezintă o importantă tehnologie de viitor pentru obţinerea unor unităţi de hard disk de mare performanţă.
Traducere şi adaptare după Is glass a solid or a liquid?