2008 年、ミゲル・ラモスは、彼が住んでいたマドリッドから車で数時間のところに、中生代の昆虫が生息する 1 億 1000 万年前の琥珀が発見されたことを新聞で読みました。ガラスを専門とする物理学者であるラモスは、何年もの間、古代の琥珀を手に入れたいと思っていました。彼はその場所で働いている古生物学者に連絡を取り、彼らは彼を訪問するように勧めました.
「彼らは、彼らにとって良くない透明なサンプルを私に提供してくれました」と彼は言いました。 「興味深い昆虫などはいませんが、私にはぴったりです。」
ラモスは次の数年間、断続的に古代ガラスの測定に取り組みました。彼は、化石化した木の樹脂が長い間老化した後、理想的なガラスとして知られる仮想的な物質の形に近づくことを望んでいました.
何十年もの間、物理学者はこの完全な非晶質固体を夢見てきました。彼らが理想的なガラスを求めているのは、それ自体のためというよりも (それにはユニークで有用な特性があるからです)、その存在が深い謎を解決してくれるからです。それは、すべての窓や鏡、すべてのプラスチック片や飴玉、さらにはすべての細胞を満たす細胞質によってもたらされる謎です。これらの材料はすべて、技術的にはガラスです。ガラスとは、固体で硬いものですが、液体のような無秩序な分子でできているものです。ガラスは仮死状態の液体であり、不思議なことに分子が流れない液体です。理想的なガラスが存在するのであれば、その理由を教えてくれるでしょう.
不便なことに、理想的なガラスが形成されるまでには非常に長い時間がかかるため、宇宙の歴史の中で形成されていない可能性があります。物理学者は、無限の時間が与えられた場合にそうなるという間接的な証拠しか探すことができません。マドリッド自治大学の実験物理学者であるラモスは、1 億 1000 万年の老化の後、スペイン産の琥珀が完璧な輝きを見せ始めたのではないかと期待していました。もしそうなら、彼は通常のガラスの分子が何もしていないように見えるとき、実際に何をしているのかを知るでしょう.
ラモスの琥珀の測定は、理想的なガラスへの関心の高まりの一部です。過去数年間で、ガラスを作成してコンピューターでシミュレートする新しい方法が、予想外の進歩を遂げました。理想的なガラスの性質と通常のガラスとの関係について、主要な手がかりが明らかになりました。 「これらの研究は、理想的なガラス状態が存在するという仮説を新たに支持するものです」と、最近のコンピューター シミュレーションに中心的に関与したモンペリエ大学の物理学者である Ludovic Berthier 氏は述べています。
しかし、理想的なガラスの新たな姿は、1 つの証拠を脇に置いた場合にのみ意味があります。
「確かに、琥珀色の作品は合理化するのが難しいほど際立っています。」
ガラスのパラドックス
液体を冷やすと、結晶化するか固まってガラスになります。どちらが起こるかは、ガラス職人が何千年にもわたって試行錯誤を経て習得した物質とプロセスの微妙さに依存します. 「結晶化を回避することは闇の芸術です」とイギリスのブリストル大学のガラス物理学者 Paddy Royall は言いました。
2 つのオプションは大きく異なります。
結晶化は、分子が無秩序で自由に流れる液相から、分子が規則的な繰り返しパターンでロックされている結晶相への劇的な切り替えです。たとえば、H2 O 分子は、その温度で振動を停止し、互いの力を感じてロックステップに陥ります。
他の液体は、冷やすとガラスになりやすくなります。たとえば、窓ガラスのシリカは、摂氏 1,000 度をはるかに超える溶融液体として始まります。冷却すると、無秩序な分子がわずかに収縮し、密集して密集し、液体の粘性が増します。最終的に、分子は完全に動かなくなります。この段階的なガラス転移では、分子は再編成されません。彼らはただ立ち止まるだけです。
冷却液が固まる正確な理由は不明のままです。ガラス内の分子が単に冷たすぎて流動できない場合でも、それらを押しつぶして新しい配置にすることは可能であるはずです。しかし、ガラスはつぶれません。そのごちゃごちゃした分子は、液体中の分子と同じように見えるにもかかわらず、本当に堅固です。ケンブリッジ大学のガラス理論家である Camille Scalliet は、次のように述べています。 「それを理解することが主な問題です。」
1948 年、ウォルター・カウズマンという名の若い化学者がエントロピー危機として知られるようになったガラスのパラドックスに気づいたとき、手がかりが得られました。このパラドックスは、後の研究者が理想的なガラスで解決できることに気づきました。
カウズマンは、液体をゆっくり冷却するほど、ガラスに変化する前により多く冷却できることを知っていました。また、ゆっくりと形成されたガラスは、分子が (液体がまだ粘性である間に) シャッフルするのに時間がかかり、より緊密で低エネルギーの配置を見つけるため、最終的に密度が高く安定します。測定では、ゆっくりと形成されるガラスのエントロピーまたは無秩序の対応する減少が示されました — 同じ低エネルギーでその分子を配置する方法が少なくなりました.
この傾向を推測して、カウズマンは、液体を十分にゆっくり冷やすことができれば、完全に固まる前に、現在カウズマン温度として知られている温度まで冷却できることに気付きました。その温度では、得られるガラスのエントロピーは結晶と同じくらい低くなります。しかし、結晶はきちんと整然とした構造です。定義上無秩序なガラスが、どのようにして同じ秩序を持つことができるでしょうか?
通常のガラスではできませんでした。これは、カウズマン温度で何か特別なことが起こるに違いないことを意味していました。液体がその温度に達したときに理想的なガラス状態、つまり分子が可能な限り密集したランダムなパッキングに達した場合、危機は回避されます。このような状態は、「長距離非晶質秩序」を示し、各分子が他のすべての位置に影響を与え、移動するためには、それらが一体となって移動する必要があります。この推定状態の隠された長距離秩序は、結晶のより明白な秩序に匹敵する可能性があります。ウィスコンシン大学マディソン校の化学物理学者 Mark Ediger は、「まさにそこにある観察が、人々が理想的なガラスがあるべきだと考えた理由の中心にありました」と述べています。
1958 年に Julian Gibbs と Edmund DiMarzio によって最初に提唱されたこの理論によれば、理想的なガラスは物質の真の相であり、液体相と結晶相に似ています。この段階への移行には時間がかかりすぎて、冷却プロセスが遅すぎるため、科学者はそれを目にすることができません。ニューヨーク大学の凝縮物質物理学者であるダニエル・スタインは、理想的なガラス転移は、液体が「非常に粘性が高くなり、すべてが停止する」ことによって「マスクされる」と述べています。
「それは、ガラス越しに暗い目で見ているようなものです」とスタインは言いました。 「[理想的なガラス] にたどり着くことも、見ることもできません。しかし、理論的には、そこで起こっていることの正確なモデルを作成しようとすることはできます。」
新しいグラス
予期せぬ助けが実験からもたらされました。液体を冷却することによって理想的なガラスを形成するという希望はまったくありませんでした。これは、人間が何千年もの間使用してきたガラス製造方法です。液体がカウズマン温度に達する前に固まらないようにするには、液体を信じられないほどゆっくりと、おそらく無限にゆっくりと冷却する必要があります。しかし、2007 年、ウィスコンシン州の物理学者であるエディガーは、ガラス製造の新しい方法を開発しました。 「高密度で理想的なガラス状態に近いガラスを、まったく別の方法で作る別の方法があることがわかりました」と彼は言いました。
エディガーと彼のチームは、通常と理想の間のどこかの状態にある「超安定メガネ」を作成できることを発見しました。蒸着と呼ばれる方法を使用して、テトリスで遊んでいるかのように分子を 1 つずつ表面に落とし、次の分子が落下する前に、各分子が成形ガラスにぴったりと収まるようにしました。結果として得られたガラスは、人類の歴史のどのガラスよりも密度が高く、安定しており、エントロピーが低かった。 「これらの材料は、液体を取り出して 100 万年かけて冷却した場合に期待される特性を持っています」と Ediger 氏は述べています。
超安定ガラスのもう 1 つの特性は、理想的なガラスへの最も有望なロード マップを最終的に明らかにするでしょう。
マドリッドの Miguel Ramos が率いる 2 つのグループは、超安定ガラスがすべての通常のガラスの普遍的な特性から逸脱していることを発見したとき、2014 年にその特性を特定しました。
物理学者は何十年も前から、超低温ガラスが高い熱容量 (温度を上げるのに必要な熱量) を持っていることを知っていました。ガラスは、温度に正比例する熱容量で、絶対零度に近いクリスタルよりもはるかに多くの熱を吸収できます。
ノーベル賞を受賞した尊敬される凝縮物質物理学者であるフィル・アンダーソンを含む理論家は、1970 年代初頭に説明を提案しました。彼らは、ガラスには多数の「2 レベル システム」が含まれていると主張しました。これは原子または分子の小さなクラスターであり、2 つの代替の同等に安定した構成の間を行ったり来たりすることができます。カリフォルニア大学バークレー校の Frances Hellman 氏は次のように述べています。>
原子や分子は隣接する原子や分子によって閉じ込められすぎて、それ自体で多くのスイッチングを行うことができませんが、室温では、熱によって 2 レベル システムが活性化され、原子が動き回るのに必要なエネルギーが供給されます。ガラスの温度が下がると、この活動は減少します。しかし、絶対零度に近づくと、量子効果が重要になります。ガラス内の原子のグループは、量子力学的に別の構成の間を「トンネル」し、障害物を通り抜け、2 レベル システムの両方のレベルを同時に占有することさえできます。トンネルは多くの熱を吸収し、ガラス特有の高い熱容量を生み出します。
エディガーが超安定ガラスを作る方法を見つけてから数年後、バークレーのヘルマンのグループとマドリッドのラモスのグループは、絶対零度に近い普遍的な熱容量から逸脱する可能性があるかどうかを個別に研究し始めました.それぞれの実験で、彼らは超安定シリコンと超安定インドメタシン (抗炎症薬としても使用される化学物質) の低温特性を調べました。案の定、両方のガラスの熱容量が通常よりもはるかに低く、絶対零度に近く、水晶と同じであることがわかりました。これは、超安定ガラスでは、トンネルを通過する 2 レベル システムが少ないことを示唆しています。分子は競合他社がほとんどなく、特にぴったりとした配置になっています。
超安定ガラスの非常に低い熱容量が本当に 2 レベル システムの数が少ないことに由来する場合、理想的なガラスは当然 2 レベル システムがまったくない状態に対応します。コロンビア大学の理論家である David Reichman は次のように述べています。
さらに、各分子が他のすべての分子の位置に影響を与える完全な長距離非晶質秩序のこの状態への推進力は、液体が私たちの周りを見ている (そして透けて見える) ガラスに固まる原因となる可能性があります.
この新しい写真では、液体がガラスになるとき、実際には理想ガラス相に移行しようとしています。これは、長距離秩序への基本的な牽引力によって引き寄せられます。 Royall氏によると、理想的なガラスは終点ですが、分子が密集しようとすると、行き詰まります。粘度が高くなると、システムが望ましい状態に到達できなくなります。
最近、これらのアイデアをテストするために、画期的なコンピューター シミュレーションが使用されました。以前は、コンピューター上で超安定ガラスをシミュレートすることは不可能でした。これは、シミュレートされた分子が密集するのに膨大な計算時間が必要だったためです。しかし、2 年前、Berthier はこのプロセスを 1 兆倍高速化する方法を発見しました。彼のアルゴリズムは、ランダムに 2 つの粒子を選択し、それらの位置を交換します。これらのシェイクアップは、シミュレートされた液体がくっつかないようにするのに役立ち、2 つの不適切な形状を入れ替える機能が Tetris で役立つように、分子をよりぴったりとフィットさせることができます。
Physical Review Lettersに掲載するために査読中の論文 、Berthier、Scalliet、Reichman、および 2 人の共著者は、シミュレートされたガラスがより安定しているほど、2 レベル システムが少なくなると報告しています。 Hellman と Ramos の熱容量測定と同様に、コンピューター シミュレーションは、2 レベル システム (競合する分子群の配置) がガラスのエントロピーの源であることを示唆しています。これらの代替状態が少ないほど、非晶質固体の安定性と長距離秩序が高まり、理想に近づきます。
理論家であるヒューストン大学のヴァシリー・ルブチェンコとライス大学のピーター・ウォリンズは、2007 年に理想的なガラスには 2 層システムがあってはならないことを示唆しました。 「Berthier の結果には非常に満足しています」と Wolynes はメールで述べました。
琥珀色の異常
しかし、その琥珀があります。
Ramos と彼の共同研究者は、Physical Review Letters で黄色のガラスの古いサンプルと「再生された」サンプルの比較を公開しました。 彼らは、超安定ガラスと同様に、1 億 1000 万年前の琥珀が約 2% 密度が高くなったことを発見しました。これは、分子の小さなグループが 1 つずつ、より低いエネルギーの配置に移行したため、琥珀が実際に時間の経過とともに安定したことを示唆しているはずです。
しかし、マドリッドのチームが古代のガラスをほぼ絶対零度まで冷却し、その熱容量を測定したところ、結果は別の話になりました。熟成した琥珀は、新しい琥珀や他のすべての通常のガラスと同じ高い熱容量を持っていました。その分子は、通常と同じ数の 2 レベル システム間をトンネリングしているように見えました。
琥珀が安定して密度が高くなるにつれて、2 レベル システムの数が時間の経過とともに減少しなかったのはなぜですか?調査結果は適合しません。
「私は琥珀の実験が本当に好きですが、琥珀色のガラスを作るのは面倒なプロセスです」と、蒸着法の創始者であるエディガーは言いました. 「時間の経過とともに化学的に変化して固化し、老化するのは基本的に樹液です。」彼は、スペインの琥珀に含まれる不純物が熱容量の測定値を曇らせた可能性があると考えています.
研究者は、2 レベル システムの詳細を明らかにし、推定上の理想的な状態に近づくことを期待して、琥珀、およびラボで作成されたシミュレートされたガラスでさらに実験を行うことを計画しています。ライヒマンは、その存在を完全に確実に証明することは決して不可能かもしれないと指摘した. 「いつの日か、少なくともコンピューター上で、私たちが探している理想的なガラスになるように粒子を正確に詰める方法がわかるかもしれません」と彼は言いました。 「しかし、それが安定しているかどうかを確認するために、非常に長い間、あまりにも長い間待たなければなりませんでした。」
編集者注:Ludovic Berthier と David Reichman は シモンズ財団 、これもサポートしています 編集上独立した出版物 .シモンズ財団の資金提供は、私たちの報道には関係ありません
この記事はに転載されました Wired.com .
