Американские исследователи из Университета Орегона представили первую компьютерную модель так называемого «идеального стекла» — материала, который десятилетиями считался физическим парадоксом. Работа, опубликованная в престижном журнале Physical Review Letters, показывает, что такое состояние вещества возможно, по крайней мере в двумерной системе. Открытие может открыть путь к созданию сверхпрочных и сверхстабильных стекол с необычными свойствами.

Что такое «идеальное стекло» и почему оно считалось невозможным

Обычное стекло — это аморфный материал: его атомы или молекулы расположены хаотично, как в переохлажденной жидкости, а не в строгой повторяющейся решетке, характерной для кристаллов. Именно эта беспорядочность делает стекло твердым, но хрупким, и позволяет ему существовать множество разных конфигураций частиц.

Идея «идеального стекла» возникла еще в 1948 году благодаря химику Уолтеру Каузманну. Он заметил, что при сильном переохлаждении энтропия (мера беспорядка) жидкости падает быстрее, чем у кристалла, и теоретически может стать нулевой — то есть структура вещества станет единственно возможной, без альтернативных вариантов упаковки. Но как аморфный материал может обладать такой же низкой энтропией, как упорядоченный кристалл? Этот вопрос породил знаменитый парадокс Каузманна, который десятилетиями ставил в тупик физиков.

Как удалось «собрать» идеальное стекло в компьютере

В новой работе физики под руководством Эрика Корвина применили компьютерное моделирование двумерной системы частиц (дисков), которым разрешили менять размер в процессе упаковки. Такой прием — аналог неравновесных методов создания сверхстабильных стекол в трехмерных системах — позволил обойти ограничения обычного охлаждения.

Результат получился поразительным: ученые создали аморфную структуру с нулевой конфигурационной энтропией. Внешне она выглядит случайной, но на деле каждая частица имеет в среднем шесть контактов с соседями — это идеальная упаковка, близкая к гексагональной решетке кристалла, только без дальнего порядка.

«Мы думаем, что нашли решение, показав, что такое состояние вовсе не парадокс. Мы действительно можем его сконструировать», — отметил Эрик Корвин в интервью Phys.org.

Свойства, которые меняют все

Модельное «идеальное стекло» демонстрирует выдающуюся стабильность и прочность. При механическом воздействии колебания в нем распространяются равномерно, почти как в кристалле, а не затухают хаотично, как в обычном стекле. Это делает материал гораздо более устойчивым к разрушению и деформациям.

Важно, что такого состояния невозможно достичь обычным охлаждением жидкости — время релаксации становится бесконечно большим. Зато компьютерная симуляция показала, что неравновесные методы (например, изменение размеров частиц или другие хитрые приемы упаковки) позволяют построить эту структуру напрямую.

Пока речь идет только о двумерной модели, но авторы уверены: принцип можно экстраполировать и на трехмерные системы. Это открывает перспективы для создания новых материалов — сверхпрочных стекол, сверхстабильных покрытий или даже веществ с уникальными оптическими и механическими характеристиками.

Вкратце

Физики из Университета Орегона впервые смоделировали «идеальное стекло» — аморфный материал с нулевой конфигурационной энтропией, который механически ведет себя как кристалл. Работа решает парадокс Каузманна 1948 года и показывает, что такое состояние достижимо неравновесными методами в двумерной системе. Хотя реальное вещество пока не создано, модель открывает путь к сверхпрочным стеклам будущего. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.