Fysikere i USA hevder de for første gang har laget en datasimulering som viser at såkalt ideelt glass faktisk kan være mulig. Dersom funnene stemmer, kan de bidra til å løse et flere tiår gammelt paradoks innen materialfysikk.
Vanlig glass, som i et drikkeglass på kjøkkenet, har molekyler som ligger hulter til bulter – mer som i en væske enn i en krystall. Strukturen er amorf og kan i prinsippet finnes i svært mange varianter.
Ideelt glass er noe annet. Det ser fortsatt uordnet ut på mikronivå, men det skal samtidig være så «perfekt pakket» at det ikke finnes alternative måter å arrangere partiklene på. I fysikken betyr dette at materialet har minimal entropi.
Konseptet ble diskutert allerede i 1948 av kjemikeren Walter Kauzmann. Han pekte på at entropien synker når en væske kjøles ned og går over til glass, og foreslo at den i teorien kunne nå et punkt der den i praksis forsvinner. Da ville man stå igjen med en tilfeldig struktur som likevel er så presist låst at den ikke kan omorganiseres.
Siden den gang har forskere debattert om et slikt materiale i det hele tatt kan eksistere, nettopp fordi det virker som en selvmotsigelse: Et stoff som både er uordnet og samtidig oppfører seg som noe svært ordnet.
I en ny studie har fysikeren Viola Bolton-Lum ved University of Oregon og kolleger brukt datamodeller til å vise at ideelt glass kan konstrueres i to dimensjoner. Modellen beskriver et glass der partiklene danner en amorf struktur, men med så høy grad av orden og jevnhet at materialet kan opptre som en perfekt krystall.
Forskerne skriver at metoden ikke bare kan kaste lys over et gammelt mysterium, men også kan fungere som en snarvei for å lage godt «likevektige» glass-systemer i beregninger. De mener også at dette åpner for en mer fullstendig utforsking av todimensjonale, tette og «fastklemte» glassystemer.
En utfordring er at vanlig avkjøling ikke ser ut til å kunne gi denne tilstanden. Ifølge forskerne ville det i praksis kreve uendelig lang tid å nå ideelt glass ved tradisjonell nedkjøling alene.
For å komme rundt dette brukte de et ekstra grep i simuleringen: Partiklene kunne endre størrelse mens de ble pakket sammen. Denne ekstra fleksibiliteten gjorde det mulig å oppnå en struktur som fremstår amorf, men som likevel har krystall-lignende egenskaper.
Materialet som oppsto i modellen var mer solid og stabilt enn vanlig glass. Hver partikkel fikk i snitt seks kontaktpunkter med naboene, noe som ga en mer støttende og jevn «bærekonstruksjon» i strukturen.
– Vi tror vi har funnet en løsning ved å vise at en slik tilstand ikke er et paradoks i det hele tatt. Vi kan faktisk konstruere den, sier fysikeren Eric Corwin ved University of Oregon til Phys.org.
Forskerne beskriver også hvordan et slikt glass kan oppføre seg annerledes ved påvirkning. Der vanlig glass kan få ujevne og rotete vibrasjoner når det treffes, vil ideelt glass i teorien vibrere helt uniformt – mer slik man ser i svært ordnede materialer.
En annen egenskap er det som kalles hyperuniformitet. På nært hold skal strukturen verken vise klumper av partikler eller tomrom, men en jevn fordeling der hver partikkel opptar «akkurat riktig» plass.
Samtidig understreker forskerne at resultatene foreløpig er teoretiske. Ingen har ennå produsert ideelt glass i et laboratorium, og forskergruppen påpeker at standard metoder for oppvarming og nedkjøling trolig ikke er nok til å lage materialet. Det vil være nødvendig med nye produksjonsmåter.
Likevel mener de at studien viser at ideelt glass ikke er umulig. Med de spesielle egenskapene materialet ser ut til å ha, kan det på sikt bli aktuelt for en rekke bruksområder, selv om det foreløpig er for tidlig å si hvilke.
Et sentralt spørsmål fremover er hvordan prinsippet fra simuleringen – der partikler kan justere størrelse under pakking – kan etterlignes i en fysisk produksjonsprosess. Forskerne mener det vil kreve nye og «nyskapende tilnærminger» fordi slike strukturer ikke er tilgjengelige gjennom vanlige termiske eller mekaniske prosesser.
Studien er publisert i tidsskriftet Physical Review Letters.
