قد يبدو الزجاج وكأنه مادة صلبة منظمة تمامًا، ولكن عن قرب ترتيبه الفوضوي للجسيمات يشبه الفوضى المضطربة لسائل يسقط حرًا ويتجمد مع مرور الوقت.
المواد في هذه الحالة، المعروفة بالمواد الصلبة غير المتبلورة، تتحدى التفسير البسيط. بحث جديد يتضمن الحساب والمحاكاة يعطي أدلة. على وجه الخصوص، فإنه يشير إلى أنه في مكان ما بين الحالتين السائلة والصلبة يحدث نوع من إعادة الترتيب لم نكن نعلم بوجوده.
بحسب وفقًا للعلماء ديميتريوس فراجاكيس، ومحمد هاشم، وكرانثي ماندادابو من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، هناك سلوك حدودي لدرجة الحرارة للسوائل والمواد الصلبة فائقة التبريد، حيث تظل الجسيمات الساكنة مثارة، و”تتقلص” في مكانها.
نحن ندرك على نطاق واسع ثلاث حالات أساسية للمادة في الحياة اليومية: الصلبة والسائلة والغازية أو البخارية. يتم تعريف كل منها من خلال العلاقات بين جزيئاتها وبيئتها.
وعندما يتحول أحد هذه العناصر إلى عنصر آخر – انصهار مادة صلبة إلى سائل أو تبخر سائل إلى غاز، على سبيل المثال – فإن ذلك يسمى تحول الحالة.
لكن المادة أكثر تعقيدا بكثير من هذه الحالات الأساسية الثلاث. يمكن أن تصبح الذرات ساخنة جدًا بحيث تنفصل شحناتها لتشكل البلازما. عند تبريدها، يمكن لفئات معينة من الجسيمات أن تفقد هويتها تمامًا لتندمج في ضبابية كمومية.
إطار الحدود = “0” سماح = “مقياس التسارع؛ القراءة التلقائية الكتابة إلى الحافظة. الوسائط المشفرة؛ جيروسكوب؛ صور في صور؛ مشاركة الويب” تسمح بملء الشاشة >
المواد الصلبة غير المتبلورة عبارة عن مخاليط غريبة من مواد صلبة مرتبة جيدًا وسوائل غير مرتبطة ببعضها البعض. في حين أن الجسيمات الموجودة داخل المواد الصلبة تميل إلى تكوين اتصالات يمكن التنبؤ بها مع جيرانها بمجرد أن تستقر عند درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية، فإن المواد الصلبة غير المتبلورة لها ترتيب غير منتظم للسائل.
إن كيفية انتقال هذه الروابط التي تبدو عشوائية من تيارات لزجة من جزيئات السوائل إلى مشهد ساكن هو أمر بعيد عن الوضوح.
وباستخدام الزجاج باعتباره المثال الأكثر شيوعًا، فإن وحدات البناء المكونة من الأكسجين والسيليكون تتدفق عند تسخينها. عند تبريدها ببطء، يصبح لدى هذه الجسيمات الوقت الكافي لتتشكل في بنية بلورية منظمة تسمى الكوارتز. فإذا بردت بسرعة، تحتفظ الجسيمات بطريقة ما بترتيب غير منظم؛ هذه هي النقطة التي تصبح عندها مادة صلبة غير متبلورة، ودرجة الحرارة التي تحدث عندها هي درجة حرارة البداية.
استخدم فراجيداكيس وهاسيم وماندادابو الحساب والمحاكاة، جنبًا إلى جنب مع نتائج التجارب السابقة، لتحديد أن هذا التحول قد لا يكون حادًا جدًا، حيث يتميز بنشاط غريب للجسيمات بين حالتها السائلة العادية وحالتها فائقة البرودة.
“تتنبأ نظريتنا بدرجة الحرارة الأولية المقاسة في الأنظمة النموذجية وتشرح لماذا يشبه سلوك السوائل شديدة البرودة حول درجة الحرارة هذه سلوك المواد الصلبة، على الرغم من أن بنيتها هي نفس بنية السائل.” يشرح ماندابو.
“إن درجة حرارة بداية ديناميكيات الزجاج تشبه درجة حرارة الانصهار التي “تذيب” السائل فائق التبريد إلى سائل. ويجب أن يكون هذا مناسبًا لجميع السوائل فائقة التبريد أو الأنظمة الزجاجية.”
على الرغم من أن التدفق الإجمالي للذرات في السائل فائق التبريد هو صفر فعليًا، إلا أن الجسيمات تتغير باستمرار في تكوينها عندما تكون عالقة في مكانها، مما يؤدي إلى حركات تسمى الإثارة. عالج الباحثون هذه الاستثارات في سائل ثنائي الأبعاد فائق التبريد، مثل العيوب الموجودة في مادة صلبة بلورية، وحسبوا ما يحدث عندما تتغير درجة الحرارة.
واكتشفوا أن أزواج الإثارة المرتبطة تنفك عند درجة الحرارة الأولية، مما يتسبب في فقدان المادة لصلابتها وتتصرف مثل السائل العادي.
ويعتقد الفريق أن نموذجهم يمكن توسيعه ليشمل أيضًا فهم كيفية عمل الانتقال في ثلاثة أبعاد وتوفير أساس نظري للعمل التجريبي المستقبلي.
“إن المسعى برمته هو أن نفهم تحت المجهر ما الذي يفصل بين السائل فائق التبريد والسائل عند درجة حرارة عالية”، يقول ماندابو.
“إنه لأمر رائع من منظور العلوم الأساسية أن ندرس لماذا تظهر هذه السوائل فائقة البرودة ديناميكيات مختلفة بشكل ملحوظ عن السوائل العادية التي نعرفها.”
وقد نشر البحث في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
