دانشمندان یک قدم به حل مسئله عجیب فیزیک شیشه نزدیک شدند

شیشه ماده‌ی رایج و متداولی است؛ اما رازهای حل‌نشده‌ی زیادی درباره‌ی آن وجود دارد؛ معمایی فیزیکی که از هزاران سال پیش ذهن انسان را مشغول کرده است.

شیشه ماده‌ی جامد معمولی و حتی مایع نیست؛ بلکه فاز آن بین مایع و جامد است؛ فاز پیوندی عجیبی که به «جامد بی‌نظم» معروف است. شیشه استحکام لازم را دارد؛ اما در سطح اتمی رفتار آن بیشتر شبیه مایعات است. حالا به‌لطف الگوریتمی که می‌تواند خواص مستقل از دمای شیشه را پیش‌گویی کند، می‌توان جزئیات زیر سطح شیشه را درک کرد. بدین‌ترتیب، یک گام به پیش‌بینی رفتار شیشه در دماهای مختلف نزدیک شدیم و این کشف مقدمه‌ای برای کشف انواع جدید مواد و درک ماهیت عجیب شیشه خواهد شد. سینان کتن، دانشمند مواد از دانشگاه نورث‌وسترن می‌گوید:

شیشه ظاهر ساده‌ای دارد؛ اما ماده‌ی بسیاری عجیبی است. شیشه بی‌نظم است و ساختار متوازنی ندارد و مرتب به‌دلیل حرکت کُند مولکول‌ها در حال تکامل و تغییر است.

ساختار مولکولی نامنظم

سیستم مدل شبیه‌سازی‌شده‌ی CG

به‌دلیل جابه‌جایی در سطح مولکولی، شیشه هرگز به‌شکل ایده‌آل جامد نمی‌رسد. اتم‌های حالت جامد به‌صورت منظم درکنارهم قرار می‌گیرند و از ساختار کریستالی پیش‌بینی‌پذیر برخوردار هستند. ازنظر تئوری، شیشه در بازه‌ی زمانی کافی می‌تواند به وضعیت ایده‌آل توازن برسد؛ ولی به‌دلیل فرایندهای کُند اتمی، این زمان بسیار طولانی خواهد بود و حتی ممکن است بیش از چند قرن باشد.

مشکل دیگر، دما است. شیشه‌ها، ازجمله شیشه‌های سیلیکایی و انواع دیگر مواد بی‌نظم شیشه‌ای مثل پلیمرها، دربرابر تغییر دما حساس هستند؛ به‌همین‌دلیل درک وضعیت ایده‌آل آن‌ها دشوار می‌شود. گرما عامل اصلی فرایندی موسوم به گذار شیشه است. گذار شیشه به فرایند گذار تدریجی و بازگشت‌پذیر مواد بی‌نظم گفته می‌شود که با افزایش دما از حالت نسبتا شیشه‌ای به حالت لاستیکی تغییر پیدا می‌کنند. بااین‌حال، عاملی دیگر شیشه را از سایر مواد متمایز می‌کند. ونجی زیا، از دانشگاه داکوتای شمالی می‌گوید:

به‌دلیل ماهیت بی‌نظم و بی‌شکل شیشه، ویژگی‌های آن با دما تغییر می‌کنند و بدین‌ترتیب پیش‌بینی رفتار فیزیکی آن بسیار دشوار می‌شود؛ اما حالا راه جدیدی برای این مشکل پیدا کرده‌ایم.

یکی از مشکلات علم مواد، ابداع روش‌هایی برای شبیه‌سازی انواع مواد شیشه‌ای است که رفتار آن‌ها با گرما تغییر می‌کند. به‌دلیل پیچیدگی مولکولی و ساختار متغیر و بی‌نظم شیشه، انجام چنین آزمایش‌هایی بسیار زمان‌بر است.

شیشه به‌دلیل ساختار فیزیکی نامنظم به حالت ایده‌آل جامد نمیرسد

باوجوداین، پژوهشگران با الگوریتم جدیدی که از مدل‌سازی CG (درشت بافت) استفاده می‌کند، می‌توانند سرعت فرایند را هزار برابر افزایش دهند. در الگوریتم رینرمالیزاسیون، به‌جای محاسبه‌ی موقعیت و نوارهای مولکولی هر اتم مستقل، تنها خوشه‌های اتمی محاسبه می‌شوند و چشم‌انداز وسیع‌تری از انتروپی و انتالپی تأثیرگذار بر سامانه به‌دست می‌آید.

پژوهشگران این روش را با سه نوع متفاوت از پلیمرهای شیشه‌ای، یعنی پلی‌بوتادین و پلی‌استرین و پلی‌کربنات انجام دادند. براساس نتایج، شبیه‌سازی‌های CG دقیقا متناظر با رفتار این مواد در دنیای واقعی بودند. کتن می‌گوید:

 همیشه توصیف رفتار فیزیکی شیشه یکی از بزرگ‌ترین مشکلات دانشمندان بوده است. حالا با کشف این الگوریتم به درک رفتار و حل راز شیشه نزدیک‌تر شده‌ایم.

منبع sciencealert

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده
تبلیغات

بیشتر بخوانید