Американские физики из Орегонского университета, возглавляемые Эриком Корвином, разработали компьютерную модель «идеального стекла» — материала, существование которого предполагается, но не было подтверждено экспериментально с середины XX века. Благодаря применению современных технологий компьютерного моделирования, ученым удалось создать структуру, характеризующуюся предельно плотной и устойчивой упаковкой молекул, при этом сохраняющую аморфное, то есть нерегулярное, состояние, что отличает его от кристаллов с их упорядоченной периодической структурой.
Идея о «идеальном стекле» впервые возникла в 1948 году, когда химик Уолтер Кауцманн высказал предположение о возможности перехода жидкости в идеально устойчивое аморфное состояние при резком охлаждении. Тем не менее, подобное явление не встречается в природе, что затрудняло изучение его характеристик. Чтобы преодолеть это препятствие, группа исследователей под руководством Корвина создала математическую модель идеальной структуры. В качестве основы они выбрали упрощенную двумерную систему, где молекулы изображены в виде круглых дисков, и опирались на структуру кристаллов с их плотной упаковкой. Основной целью было сохранение высокой плотности, при этом полностью устранив кристалличность.
По итогам моделирования исследователи выявили конфигурацию, сохранившую аморфную, беспорядочную структуру, но при этом проявляющую механические характеристики, аналогичные кристаллическим. Проведенные испытания на сжатие, изгиб и плавление показали, что разработанная модель обладает механической прочностью, сопоставимой с характеристиками кристаллических материалов, несмотря на отсутствие их упорядоченной структуры. « Несмотря на полную аморфность, наша структура демонстрирует механическое поведение, аналогичное кристаллической », — объяснил Эрик Корвин.
Данное открытие существенно продвигает фундаментальную науку, давая возможность более глубоко изучить механизм стеклования – процесс, посредством которого жидкость переходит в твердое стеклообразное состояние. Также эта работа открывает возможности для разработки инновационных промышленных материалов, в особенности металлических стекол, объединяющих прочность металлов и гибкость стекла. На текущий момент главным препятствием в создании таких материалов является необходимость их крайне быстрого охлаждения. По словам Корвина, углубленное понимание процессов стеклования позволит разрабатывать сплавы, которые можно будет охлаждать с меньшей скоростью, что откроет путь к литью сложных и надежных деталей, например, для автомобильных двигателей или авиационных конструкций. В планах ученых на ближайшее будущее – расширение исследований и создание трехмерной модели «идеального стекла».
Результаты исследования в журнале Physical Review Letters.