قام الفيزيائيون ببناء نموذج رياضي لـ “الزجاج المثالي” لأول مرة

نراه كل يوم ولا نفكر في السر الذي يخفيه. الزجاج مادة صلبة لها خصائص السائل.

لقد قطع الفيزيائيون خطوات كبيرة في حل هذا اللغز. لقد قاموا بمحاكاة أول “زجاج مثالي” في العالم على جهاز كمبيوتر، حيث يتم تعبئة الجزيئات بكثافة وثبات قدر الإمكان، ولكن في نفس الوقت تحافظ على بنية غير متبلورة.

لقد افترض العلماء منذ فترة طويلة أن مثل هذه المواد يجب أن تكون موجودة من الناحية النظرية، ولكن حتى الآن لم يتمكنوا من إعادة إنتاجها جسديا أو رياضيا. إن فهم كيفية صنعه يمكن أن يفتح آفاقًا جديدة في تطوير مواد ذات خصائص فريدة، مثل الزجاج الذي يمكنه تحمل درجات الحرارة والضغط الشديدين.

بالنسبة للفيزيائيين، فإن مفهوم “المواد الزجاجية” يذهب إلى ما هو أبعد من النافذة المعتادة أو زجاج الزجاجة، أو شاشات الهاتف أو النظارات. أي مادة صلبة تتكون من جزيئات مرتبة بشكل غير متبلور – على سبيل المثال، العديد من أنواع البلاستيك والنظارات المعدنية وحتى بعض المواد البيولوجية – يعتبرها العلم أيضًا زجاجًا.

سر الزجاج

يوضح البروفيسور إريك كوروين من جامعة أوريغون: “إذا نظرت إلى الزجاج على المستوى الجزيئي، سترى أن جزيئاته مرتبة بشكل غير متبلور – بل بشكل عشوائي. إنها تتلاءم معًا بإحكام، ولكن لا يوجد هيكل منظم”.

في المادة الصلبة البلورية، ترتب الجزيئات نفسها بترتيب منتظم يمكن التنبؤ به. في المادة الصلبة غير المتبلورة، يتم تثبيت الجزيئات المتناثرة بشكل فوضوي في أماكنها ولا يمكنها التحرك كما هو الحال في السائل.

“هذا هو السؤال الرئيسي فيما يتعلق بالزجاج”، يتابع العالم. “كيف يمكن لنظام غير متبلور تمامًا وشبيه بالسائل أن يحافظ على الاستقرار الميكانيكي؟”

في دراستهم، تناول كوروين وزملاؤه مشكلة طرحها الكيميائي والتر كوزمان من جامعة برينستون عام 1948. وافترض أنه عندما يتم تبريد الزجاج إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، فإنه يجب أن يصل في النهاية إلى حالة مثالية يتم فيها تعبئة الجزيئات بإحكام قدر الإمكان. سوف يصبح هذا الزجاج أشبه بمادة صلبة بلورية وسيكتسب خصائص محسنة: نقطة انصهار أعلى، أو مرونة، أو مقاومة استثنائية للكسر تحت الضغط.

الزجاج المثالي غير موجود في الطبيعة، لذلك لا تتاح للعلماء الفرصة لدراسته بشكل مباشر. ومع ذلك، قرر فريق كوروين إنشائه من خلال النمذجة الرياضية باستخدام مجموعة الكمبيوتر عالية الأداء بجامعة أوريغون. ونشرت نتائج الدراسة في المجلة رسائل المراجعة البدنية.

يقول البروفيسور: “فكرنا: ماذا لو حاولنا الذهاب إليه مباشرة؟ يمكننا تصميم أفضل هيكل ممكن”.

بدأ الباحثون بإنشاء نموذج تكون فيه الجزيئات على شكل أقراص دائرية. لقد اعتمدوا على بنية بلورية ثنائية الأبعاد، حيث يحيط بكل قرص ستة جيران ويتصل بهم جميعًا، مثل الخلايا في قرص العسل. ثم قاموا بتطوير طريقة مكنت من الحفاظ على بنية الأقراص المجاورة تماما، ولكن في الوقت نفسه القضاء تماما على الشبكة البلورية الدورية.

وأكدت الحسابات أن الهياكل الجديدة تبين أنها الأكثر كثافة من بين جميع التكوينات الممكنة لمجموعة معينة من الأقراص. وللتأكد من أن الزجاج مثالي حقًا، تمت مقارنة خصائصه الفيزيائية التي تمت محاكاتها بالكمبيوتر مع الخصائص المعروفة للمواد الصلبة البلورية. لقد درسوا كيفية تفاعل النموذج مع الضغط والانحناء والذوبان وغيرها من التأثيرات، ووجدوا أنه يتصرف كجسم بلوري أكثر من كونه جسمًا غير متبلور.

يؤكد كوروين: “الاستنتاج هو أن بنيتنا، من وجهة نظر ميكانيكية، تتصرف تمامًا مثل البلورة، على الرغم من أنها غير متبلورة تمامًا”.

ما هي الخطوة التالية

ويخطط الباحثون لتوسيع عملهم ليشمل الفضاء ثلاثي الأبعاد. وفقًا لكوروين، فإن نتائجهم يمكن أن تؤدي في النهاية إلى تحسين عمليات التصنيع وربما تؤدي إلى فهم أفضل للمواد مثل الزجاج المعدني، الذي يحتوي على عدد من الخصائص المثيرة للاهتمام والمفيدة – يمكن أن تكون قوية جدًا، ومقاومة للتشوه، ويمكن صهرها واستخدامها في القولبة بالحقن.

ومع ذلك، من الصعب اليوم إنتاج مثل هذه المواد لأنها تتطلب تبريدًا سريعًا للغاية من الحالة السائلة.

“إذا تمكنا من فهم طبيعة التزجج بشكل أفضل ومعرفة ما الذي يجعل سبيكة معينة مناسبة أكثر أو أقل لتشكيل الزجاج المعدني، فيمكننا إنشاء سبائك يمكن تبريدها بشكل أبطأ بكثير. ومن ثم ستفتح إمكانيات لا حدود لها حقًا. سيكون من الممكن صب محركات السيارات وأجسام الطائرات المقاتلة. ويختتم كوروين حديثه قائلاً: “ستكون هذه ثورة حقيقية”.