Физики впервые создали «идеальное стекло»⁠⁠

Команда физиков из Университета Орегона построили первую компьютерную модель «идеального стекла» — материала, где молекулы упакованы так плотно и стабильно, как в кристалле, но при этом сохраняют аморфную структуру обычного стекла. Работа открывает совершенно новый путь к созданию сверхпрочных металлических стёкол, которые можно будет просто отливать, как пластик.

Как родилась идея обойти природу

Всё началось в 1948 году, когда химик Уолтер Каузманн из Принстона заметил странную закономерность. При охлаждении жидкости её энтропия падает быстрее, чем у кристалла. Теоретически должен был наступить момент, когда аморфное состояние окажется термодинамически стабильнее кристаллического. Но как такое возможно? Беспорядок, который при этом оказывается идеально упорядоченным?

Никто не смог получить такое состояние ни в природе, ни в обычных симуляциях. Охлаждение всегда либо превращало материал в кристалл, либо оставляло его в нестабильном стекле. Эрик Корвин и его команда решили не повторять путь природы. «Мы подумали, что, возможно, сможем просто сразу перейти к нему, — вспоминает Корвин. — Мы можем создать наилучшую из возможных структур».

Построение совершенного хаоса

На высокопроизводительном кластере Университета Орегона физики начали с двумерного мира полидисперсных дисков — частиц с разными радиусами, взятыми из логнормального распределения с 20-процентным разбросом. Сначала диски случайным образом разместили в квадратной ячейке и минимизировали энергию, разрешив им менять не только положение, но и размер. Затем по радикалам построили полную триангуляцию Делоне и с помощью специальных множителей Лагранжа превратили систему в идеально зажатую сеть: каждый диск теперь касается ровно шести соседей, как в кристалле, но без малейшего намёка на повторяющийся порядок.

Результат получился поразительным. Плотность новой упаковки достигла φ ≈ 0,910 — это выше, чем у самых плотных обычных аморфных стекол (0,849) и даже чуть выше, чем у гексагональной кристаллической решётки из тех же дисков. Конфигурационная энтропия в термодинамическом пределе стремится к нулю: графическая структура триангуляции имеет единственное решение.

Кристаллическая прочность без единой симметрии

И вот здесь начинается самое интересное. Полученная структура ведёт себя не как обычное стекло, а как идеальный кристалл. Модули объёмного сжатия и сдвига остаются высокими даже при нулевом давлении. Спектр колебаний следует закону Дебая — без низкочастотного хвоста и знаменитого «бозонного пика», который всегда выдают обычные аморфные материалы. Система демонстрирует гиперравномерность: крупномасштабные флуктуации плотности подавлены сильнее, чем в любом известном стекле. Температура плавления и плотность плавления тоже аномальны — идеальное стекло держится дольше и «тает» при более низкой плотности.

«Вывод заключается в том, что наша структура механически ведёт себя идентично кристаллу, хотя она полностью аморфна», — подчёркивает Корвин.

Что это меняет для реального мира

Сегодня металлические стёкла — один из самых перспективных материалов: они невероятно прочные и упругие, но производить их крайне сложно, потому что нужно охлаждать расплав со скоростью миллионы градусов в секунду. Теперь у инженеров появляется ориентир. Понимание идеального состояния позволит создавать сплавы, которые легче переходят в стеклообразную фазу и не требуют экстремальных условий.

«Можно было бы отливать двигатель автомобиля, можно было бы отливать истребитель, — говорит Корвин. — Это было бы революционно».

Команда уже планирует перенести подход в трёхмерное пространство, хотя прямое копирование метода не сработает. А пока идеальные упаковки станут мощным инструментом для исследования всего «энергетического ландшафта» стеклообразных систем: добавляя дефекты шаг за шагом, физики смогут наконец понять, почему обычные стёкла ведут себя именно так, а не иначе.

Метод, разработанный орегонскими физиками, не только разрешил одну из самых давних загадок физики стекла, но и дал исследователям удобный инструмент для создания хорошо уравновешенных моделей аморфных систем. Из хаоса они впервые извлекли структуру, обладающую всеми механическими и термодинамическими свойствами идеального кристалла, показав, что беспорядок способен быть столь же совершенным, как и кристаллический порядок.

Источники

• Ideal Glass and Ideal Disk Packing in Two Dimensions — PubMed — pubmed.ncbi.nlm.nih, Авторы: Viola M Bolton-Lum; R Cameron Dennis; Peter K Morse; Eric I Corwin

• Physicists mathematically create the first ‘ideal glass’ — EurekAlert! — eurekalert

• Simulations show a path to ‘ideal glass’ with crystal-like entropy — phys, Авторы: Ingrid Fadelli

• Scientists Create First Computer Model of ‘Ideal Glass’ — Eugene Today — nationaltoday

• The Ideal Glass and the Ideal Disk Packing in Two Dimensions (arXiv:2404.07492v2) — arXiv, Авторы: Viola M. Bolton-Lum и др.