Вчені намацали шлях до «ідеального скла» зі властивостями алмаза та металу

Дослідники зі США знайшли теоретичну можливість пояснити парадокс кінця 40-х років минулого століття — секрет «ідеального скла», або парадокс Кауцмана. У 1948 році Уолтер Кауцман (Walter Kauzmann) припустив існування аморфного матеріалу з мінімальною (майже нульовою) ентропією, який при цьому зберігає хаотичне розташування частинок, але має виняткову стабільність і впорядкованість. Це був би чудовий матеріал, але його так і не створили.

A — ідеальне скло, B — звичайне. Джерело зображення: Phys. Rev. Lett., 2026

Група фізиків з Університету Орегону (University of Oregon) провела теоретичне дослідження, яке показало, що так зване «ідеальне скло» теоретично можливе. Довгі десятиліття вчені вважали існування такого стану парадоксальним, оскільки звичайне охолодження рідкого розчину або розплаву до склоподібного стану не дозволяє досягти істинного мінімуму енергії (атомів, молекул або частинок) без кристалізації.

Ключовий прорив стався, коли вчені допустили «читерський» прийом у комп'ютерній симуляції. При відтворенні двомірного аморфного матеріалу вони дозволили частинкам змінювати свій розмір у процесі упаковки під час охолодження. Це дало додаткову ступінь свободи і дозволило створити конфігурацію, при якій структура матеріалу під час затвердіння залишається повністю аморфною, але досягає стану гіперупорядкованості. Енергія частинок падає нижче тієї, що досягається при кристалізації, але сама кристалізація не виникає.

Модель показала, що в такому випадку кожна частинка в матеріалі буде мати в середньому шість контактів з сусідами; в ньому будуть відсутні скупчення і порожнечі, а механічно матеріал буде поводитися подібно до ідеального кристалу. При зовнішньому впливі (наприклад, ударі) коливання поширюються рівномірно, як у алмазі.

Розв'язання парадокса Кауцмана відбувається завдяки тому, що традиційні шляхи (повільне охолодження) дійсно не здатні привести до ідеального скла за скінченний час — система застряє в метастабільних станах з надмірною ентропією. Однак симуляція доводить: таке стан не суперечить фізиці, воно просто вимагає нестандартного способу формування.

Отримане «ідеальне скло» демонструє властивості кристала (висока стабільність, жорсткість і пружність), залишаючись при цьому аморфним за структурою. Відкриття має важливе теоретичне значення для розуміння склоподібних і аморфних систем загалом, а також відкриває перспективи пошуку нових підходів до створення надстабільних аморфних матеріалів.

Наприклад, у такому стані метали можуть бути аморфними, а не кристалічними, не втрачаючи електропровідності та набуваючи пружності і підвищеної жорсткості, що могло б знайти застосування в авіації та космонавтиці. Якщо говорити більш приземлено, то сонячним панелям на дахах і на фермах також не завадило б більш стійке до граду і пошкоджень скло — одночасно пружне і жорстке.

На жаль, вчені поки не знають методів виробництва таких матеріалів. Але сама фізика подібних станів — це вже обіцянка майбутніх можливостей. Технології можуть бути не лише втраченими, але й ще не здобутими.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки