Крупное достижение в области понятия о структуре стекла

Продолжая прокладывать пути к открытию и разработке новых важных материалов, исследователи Батского университета (Великобритания) вместе со своими коллегами из Бристоля (Великобритания) и Гренобля (Франция) осуществили значительное продвижение в понимании действительной сути структуры стекла. Стекло представляется нам одной из самых прозрачных вещей в природе, однако, когда разговор о стекле идет на атомарном уровне, становится ясно, что на самом деле предмет совсем неясен, что это темный мир, о котором немногое известно.

Причина, почему некоторые жидкости при быстром охлаждении образуют стекловидные, а другие — кристаллические твердые тела, является одной из самых больших загадок физики, все еще не разрешенных на сегодняшний день. Большинство жидкостей при охлаждении образуют структуры, взаимное расположение атомов которых так или иначе упорядочено. Такие тела ученые называют кристаллическими (один из примеров — лед). Стекловидные же тела ученые определяют как материалы, которые при быстром охлаждении переходят из жидкого в такое твердое состояние, которому свойственна полная неупорядоченность на атомарном уровне. Стекла могут входить в состав множества объектов и форм, и то знакомое всем вещество, которое заполняет наши оконные проемы — всего лишь один из вариантов использования стекловидных тел.

В чем же состоит важное достижение, о котором идет речь? В 2005 г. команда специалистов во главе с профессором Филипом Сэлмоном (отделение физики Батского университета) выявила наличие в микроскопическом мире стекла тонких и неожиданных образований, никогда прежде не обнаруживавшихся. Профессор Сэлмон установил, что атомы стекла объединяются в тетраэдры (трехмерные объекты, ограниченные равносторонними треугольниками). В центре тяжести каждого такого треугольника находится атом, кроме того, по одному атому находится в каждом из углов треугольника. Эти тетраэдры образуют кольцевые структуры, размер же такого образования может простираться на неожиданно большое расстояние — примерно до одной десятимиллионной миллиметра. Такая структура была выявлена в двух образцах стекла, изготовленных из различных химикалий: дихлорида цинка и диселенида германия. На самом деле о стекле известно не очень много, так что информация о данном открытии была сочтена достаточно существенной и поэтому оказалась опубликованной профессором Сэлмоном в соавторстве с доктором Ричардом Мартином в престижном журнале Nature. В настоящее время профессор Сэлмон продолжает свои исследования. Стекла подразделяются на два типа: прочные и хрупкие.

Эти названия довольно условны (и, нужно сказать, даже вводят в заблуждение), поскольку говорят о свойствах материала скорее в жидком, а не в стекловидном состоянии: прочные материалы при их нагревании поддерживают свою вязкость, представляя собой что-то вроде густой жидкости под высокими температурами, хрупкие же становятся намного менее вязкими. Путем использования последних методик нейтронной дифракции профессор Сэлмон обнаружил определенные различия в строении атомов, каковые различия и позволяют подразделять стекла на прочные либо хрупкие. Командой Сэлмона было установлено, что обоим типам стекла свойственна тенденция к образованию колец из тетраэдров. Структурам прочных стекол свойственны и гораздо большие размеры образуемых тетраэдрами колец, и их первоначальная разомкнутость; постепенно эти структуры становятся все менее и менее упорядоченными. В более хрупких стеклах кольца не имеют этого изначально открытого строения, и тетраэдры повсеместно расположены более плотно. Чем более открыты кольца изначально, тем прочнее стекло.

Профессор Сэлмон показал, что под воздействием давления изначально упорядоченные кольца прочных стекол разрушаются, становятся менее упорядоченными, что превращает стекло в более хрупкий вариант. Профессор Сэлмон полагает, что это крупное достижение в понимании структуры стекла может представлять большой интерес для физиков, заинтересованных природой формирования стекловидных тел, для ученых-материальщиков, которые разрабатывают новые типы стекол, необходимые для производства новых конструкций лазеров, а также для получения новых решений в области работы с ядерными отходами. Кроме того, данный шаг может быть важным в разработке новых материалов. Две самые известные формы кристаллического углерода — алмаз и графит — имеют совершенно неодинаковые свойства. Графит мягок и используется, например, в карандашах, тогда как алмаз, который формируется при высоких температурах и давлениях, является супертвердым и используется как промышленный абразив. Поэтому могут быть получены и новые стекла с представляющими большой интерес новыми свойствами. Здесь можно говорить, например, о получении стекла примерно при тех же самых чрезвычайных условиях, при которых получаются искусственные алмазы.

На фото: профессор Philip Salmon, фото University of Bath