Ученые раскрыли секрет аморфности стекла

Исследователям из университета Бристоля, Великобритания, вместе с коллегами из Японии и Австралии удалось выяснить причины аморфности стекла. Как оказалось, атомы в стекле объединяются в ячейки, которые геометрически не могут состыковаться друг с другом. Работа авторов опубликована в журнале Nature Materials.

В науках о материалах стекло – это не то, что вставляют в рамы и из чего делают бутылки. Стеклом называют твердое аморфное состояние вещества. Вещество называется аморфным, если в твердом состоянии оно не обладает кристаллической решеткой. Стекло можно получить и из металла, и из кварца путем очень быстрого охлаждения расплава.

По словам исследователей, наблюдать атомы стекла в момент охлаждения расплава не представляется возможным из-за их маленького размера, поэтому они смоделировали этот процесс. Роль расплава играл гель с частицами пластика в роли атомов. Для удобства наблюдения ученые использовали частицы размером около двух нанометров. Для того чтобы добиться нужного профиля охлаждения, исследователи добавляли в смесь специальный полимер. В результате гель переходил в "стеклянное состояние". Ученые изучали пространственную структуру такого "модельного стекла" с помощью конфокального микроскопа, позволяющего строить трехмерные изображения.

В этом состоянии "атомы" в геле расположились в вершинах икосаэдра (правильный многоугольник с 20 гранями). Эти многогранники, в отличие от, скажем, куба нельзя уложить так, чтобы любые соседние два прилегали гранями друг к другу. Каждая такая икосаэдрическая ячейка в стекле оказывается ориентированной в пространстве случайно. Интересно, что предположение об икосаэдрической молекулярной структуре стекла было высказано еще 50 лет назад, однако до сих пор ученые не могли экспериментально подтвердить эту гипотезу.

Подобное строение объясняет, например, свойство текучести стекла. Если посмотреть на окна в старых домах, то окажется, что у основания стекло толще, чем наверху. Это связано с тем, что со временем под действием силы тяжести ячейки начинают ползти относительно друг друга, что и приводит к медленному течению аморфного вещества.

Ученые надеются, что открытие такой простой геометрической причины аморфности стекла поможет в создании новых материалов, комбинирующих свойства как металлов, так и стекол.