به حل فیزیک عجیب شیشه بسیار نزدیک‌تر شدیم

0
2738

بیگ بنگ: شیشه در همه جا وجود دارد و به نظر یک چیز عادی است، اما در واقع رمز و رازی باورنکردنی دارد. شیشه معمایی فیزیکی است که از زمان اولین مواجهۀ بشر با آن، یعنی هزاران سال قبل، درک او را به چالش کشیده و فراتر از فهم بشر بوده است.

glass physicsبه گزارش بیگ بنگ، دلیلش این است: شیشه جامد معمولی نیست، مایع هم نیست. چیزی مابین جامد و مایع است؛ یک ترکیب عجیب که جامدِ آمورف نام دارد- چیزی که با لمس کردن احساس می‌کنیم محکم و سخت است، اما سطح اتمی پایینی دارد و در واقع رفتار آن بیشتر شبیه مایع است. اما اکنون پیشرفت غیرمنتظرۀ محققان می‌تواند بیش از هر زمان دیگری ما را به درک اینکه زیر سطح شیشه چه می‌گذرد، نزدیک‌تر کند.

این پیشرفت را مدیون الگوریتم جدیدی هستیم که می‌تواند به پیش‌بینی خواص وابسته به دما در شیشه کمک کند. بدین معنی که برای پیش‌بینی اینکه شیشه‌ها در دماهای مختلف چگونه رفتار می‌کنند گام بزرگی نزدیک‌تر شده‌ایم؛ و این به نوبۀ خود می‌تواند در پی بردن و بررسی روش‌های بهتر و سریع‌تر برای کشف انواع جدید مواد و درک اینکه چرا شیشه اینقدر عجیب و غریب است و عجیب رفتار می‌کند، به ما کمک کند.

سینان کتن، محقق مواد محاسباتی از دانشگاه نورث وسترن، می‌گوید: «شیشه با اینکه ساده به نظر می‌رسد، اما مادۀ بسیار عجیبی است. شیشه، آمورف است و ساختار متعادلی ندارد، بنابراین دائما به وسیله حرکات آهستۀ مولکول‌هایش تکامل می‌یابد.» به خاطر آن حرکات در سطح مولکولی، شیشه هیچوقت حالت ایده‌آل جامد بودن را به خود نمی‌گیرد. حالت ایده‌آل جامد حالتی است که در آن آرایش اتم‌ها به صورت ساختارهای بلوری قابل پیش‌بینی و منظمی است.

به لحاظ نظری، اگر زمان به اندازۀ کافی وجود داشته باشد، ممکن است شیشه روزی به آن حالت ایده‌آل تعادل دست یابد؛ اما تحقق این امر فوق‌العاده طولانی‌مدت خواهد بود- محققان فکر می‌کنند بیشتر از قرن‌ها طول می‌کشد، زیرا پروسۀ اتمی بسیار کند و آهسته است. مشکل دیگر، دما است. شیشه- یعنی هم شیشه‌های سیلیکایی و هم دیگر انواع مواد شیشه‌ایِ آمورف نظیر پلیمرها- به تغییرات دما نیز بسیار حساس است. تغییرات دما باعث می‌شود تحقق حالت ایده‌آل شیشه حتی بعیدتر هم بشود.

گرما یکی از چیزهایی است که موجب انتقال شیشه‌ای می‌شود. در انتقال شیشه‌ای، جامدات آمورفِ گرمادیده وقتی که سرد شوند از حالت شیشه‌ای و سخت به حالت ویسکوزِ مایع مانند تبدیل می‌شوند. این ترفند بسیار جالب و البته برگشت‌پذیر است، اما فیزیک ِ انواع مختلف ِ شیشه را دشوار می‌سازد.

glass physicsمهندس ونجی شیا از دانشگاه ایالتی داکوتای شمالی، می‌گوید: «به خاطر ماهیت آشفته و بی‌نظم و آمورف شیشه، با تغییر دما خواص آن هم می‌تواند به طور قابل توجهی تغییر کند و این باعث می‌شود پیش‌بینی رفتار فیزیکی آن بسیار دشوار شود. اما اکنون راه جدیدی برای حل این مشکل پیدا کرده‌ایم.»

یکی از چالش‌های علم ِ مواد، تدبیر راه‌هایی برای شبیه‌سازی چگونگی رفتار انواع مختلف مواد شیشه‌ای در هنگام گرما است. با این حال به علت پیچیدگی مولکولی ساختار متغیر و بی‌نظم شیشه، انجام این نوع محاسبات به زمانی بسیار طولانی نیاز دارد. ولی محققان می‌گویند با وجود الگوریتم جدیدی که از مدلسازی دانه‌درشت(CG) استفاده می‌کند، توانسته‌اند زمان این فرآیند را حدوداً هزار بار تسریع ببخشند.

با گامی به عقب، این تکنیک به دست آمد. این الگوریتم منحصر به فرد به جای محاسبۀ موقعیت و پیوندهای مولکولی هر اتم واحد، فقط خوشه‌های اتم‌ها را محاسبه می‌کند و در نتیجه دید وسیع‌تری از آنتروپی و آنتالپی موثر بر سیستم دارد. ما این رویکرد را با سه نوع مختلف پلیمر شیشه‌ای- پلی‌ بوتادی‌ان، پلی استایرن و پلی کربنات- آزمایش کردیم.

نتایج نشان داد که شبیه‌سازی‌های دانه‌درشت دقیقا مطابق با نحوۀ رفتار این مواد در دنیای واقعی بود. کتن اظهار داشت: «توضیح فیزیک ِ شیشه‌ یکی از بزرگ‌ترین مشکلاتی بوده که محققان قادر به حل آن  نبوده‌اند. اما ما به درک ِ رفتار شیشه و حل این معما نزدیک‌تر شده‌ایم.» این یافته‌ها در مجلۀ Science Advances منتشر شده است.

ترجمه: زهرا جهانبانی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com


دیدگاهتان را بنویسید

Please enter your comment!
Please enter your name here

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.