海ではなく氷河の上に立つことができるのはなぜですか?
答えは簡単に思えます:液体は流れます。固体はそうではありません。液体中の原子は動き回ることがあります。固体では、それらは結晶格子にロックステップに入ります。結晶の無限に繰り返されるパターンは非常に安定しているため、原子のランクを壊すにはかなりのエネルギーを注入する必要があります。または、物理の教科書にはそう書かれています。
しかし、固体の剛性に関するこの長い間受け入れられてきた説明は、準結晶を説明できません。これは、1982 年に研究室で最初に発見され、2009 年に自然界で発見された奇妙な固体です。準結晶の原子は決して繰り返されないパターンで配置されていますが、それでも材料は剛性です。 .ガラスも同様です。ガラスは、固体のように振る舞う静止した原子の非晶質の塊ですが、よく見ると時間の経過とともに凍った液体のように見えます。
ニューヨーク大学の物理学と数学の教授であるダニエル・スタインは、「眼鏡は何千年も前から存在しています。 「化学者はそれらを理解しています。エンジニアはそれらを理解しています。物理学の観点からは、私たちはそれらを理解していません。なぜ彼らは固いのですか？」
氷河などの結晶性固体でさえ、非常にゆっくりではあるが原子が流れることができるため、分類に抵抗する.また、逆の場合もあるようです。十分に高い氷河から海に飛び込むと、海は硬く感じます。では、液体と固体の違いは何でしょうか?
フランスと米国の物理学者は、この基本的な疑問に対する新しい答えを提案しています。米国数学会の通知の 3 月の記事で概説されているように、研究者は、液体が固体になる温度と圧力の交点で劇的に形が変化する材料の 2 つの特性を特定しました。物理学者によると、これらの特性は物質の 2 つの状態の違いを定義する可能性があります。
テキサス大学オースティン校の数理物理学者であるチャールズ・ラディンと、彼の元学生で現在ミネソタ大学の数学者であるデビッド・アリストフは、液体と固体の主な違いは、せん断またはねじれに対する反応の仕方にあると主張しています。力。液体はせん断にほとんど抵抗せず、簡単にスロッシングできますが、固体は、結晶、準結晶、またはガラスであるかどうかに関係なく、形状を変えようとする試みに抵抗します.
したがって、液体から固体への相転移、ラディンとアリストフの理由は、ゼロから正の値にジャンプする材料の「せん断応答」によって特徴付けられるはずです。そして彼らは、原子が円盤で表されている 2 次元モデル材料でまさにそのようなジャンプを観察しました。材料の液相に対応する低密度では、剪断に対する応答は示されませんでしたが、円盤が密集したときは、固体内の原子、せん断により材料が膨張します。 「この効果を示すクロスオーバーは、まさにシステムが結晶化する密度です」とラディンは言いました。 「固体とは何かを理解する別の方法として、これを提案します。」
せん断応答効果は、通常、物理学者が計算を行う方法によってわかりにくくなっています。材料の相境界 (固体から液体、気体への遷移曲線) を特定するには、材料が非常に大きいため事実上端がないと仮定して、方程式を単純化する必要があります。残念ながら、この単純化では材料の形状が無視されているため、せん断に応じて形状が変化するかどうかを判断するのが難しくなっています.
ラディンとアリストフのイノベーションは、素材をエッジレスとして扱う前に、せん断に対する 2D モデルの応答を計算することでした。このはるかにトリッキーな逆順の計算は、すべての材料について一般的にはまだ解決されていませんが、このアプローチは「非常に興味深いものであり、非常に役立つ可能性があります」と Stein 氏は述べています。
一方、フランスの物理学者は、固体と液体の違いはそれらが流れる速度であると推論して、別の、しかし関連するタックを採用しました。ガラスは固体ですが、非常にゆっくりと流れると考えられています。そして、結晶固体内の個々の原子は、ダイヤモンドでさえも、格子内の欠陥または空のスポットの間を飛び越えることができます.
研究者は、固体と液体の流動速度を、それらの粘度、または時間とともに変化するせん断に対する応答を比較することによって区別しました。 (たとえば、ハチミツは水よりも粘性の高い液体です。) 結晶性固体の 2D モデルの場合、せん断が非常に小さくなると、結晶の粘性が巨大になることがわかりました。パリの CEA 理論物理学研究所の Giulio Biroli 氏は、ダイヤモンドが地球の重力の下で流れるのを見るには、「おそらく宇宙の年齢よりも長く待たなければならないでしょう」と述べています。
対照的に、通常の液体は、せん断がゼロに近づいても粘度が低くなります。
研究者は、小さなせん断下で大きくても有限の粘性を示すことにより、ガラスが結晶性固体と液体の間のどこかに入るという仮説を立てました。その後、他の物理学者は、まだ実験的にテストされていませんが、予測がモデル ガラス システムに対して正しいことを示しました。
「私たちのやり方は補完的です」と、アメリカとフランスのアプローチについて、ビロリは言いました。 「両方をとれば、固体と液体の違いを理解し始めると思います。」
ベルギー系フランス人の数学物理学者であり、統計力学に関する古典的な教科書の著者である David Ruelle は、固体と液体を厳密に理解することは、エレクトロニクスやナノリソグラフィーに応用できる金属ガラスなどの新しい材料の挙動を予測するのに役立つかもしれないと述べた。しかし、固体と液体が支配する世界では、「基本的な理解を持っているだけで十分です」とルエルは言いました。 「これらがすぐに 100 万ドルをもたらすとは言いません。」
