2008 년 미구엘 라모스 (Miguel Ramos)는 신문에서 1,000 만 명의 앰버가 원시 중생대 곤충을 가진 마드리드에서 차로 몇 시간 동안 발견되었다고 읽었습니다. 유리를 전문으로하는 물리학자인 라모스는 고대 호박색을 데려 가기를 몇 년 동안 원했습니다. 그는 현장에서 일하는 고생물학 자들에게 연락하여 방문하도록 초대했습니다.
"그들은 나에게 좋지 않은 명확한 샘플을 제공했다"고 그는 말했다. "그들은 흥미로운 곤충이나 다른 것들이 없지만… 그들은 나에게 완벽합니다."
라모스는 다음 몇 년 동안 고대 유리 측정을 위해 간헐적으로 작업했습니다. 그는 화석화 된 나무 수지가 오랫동안 노화 된 후에 이상적인 유리로 알려진 가상의 물질에 접근 할 수 있기를 바랐다.
.수십 년 동안 물리학 자들은이 완벽한 비정질 고체를 꿈꿔 왔습니다. 그들은 이상적인 유리를 원한다 (독특하고 유용한 특성을 가질 수는 있지만) 그 존재는 깊은 미스터리를 해결할 것이기 때문에. 그것은 모든 창과 거울, 모든 플라스틱과 단단한 사탕, 심지어 모든 세포를 채우는 세포질로 제기 된 미스터리입니다. 이들 물질은 기술적으로 유리이며, 유리는 견고하고 단단하지만 액체와 같은 무질서한 분자로 만들어진 것이기 때문입니다. 유리는 매달린 애니메이션의 액체이며, 분자는 호기심이 흐를 수없는 액체입니다. 이상적인 유리가 존재한다면 그 이유를 알려줄 것입니다.
불편하게, 이상적인 유리는 모든 우주 역사에서 그렇게하지 않았을 수도있는 형성에 너무 오래 걸릴 것입니다. 물리학 자들은 무제한 시간이 주어지면 간접적 인 증거를 찾을 수 있습니다. 마드리드 자율 대학의 실험 물리학자인 라모스 (Ramos)는 1 억 1 천만 년의 노화 후 스페인 앰버 (Spanish Amber)가 완벽한 완벽을 보여주기 시작했을 수 있기를 바랐다. 그렇다면, 그는 평범한 유리의 분자가 아무것도하지 않는 것처럼 보일 때 실제로 무엇을하고 있는지 알 것입니다.
Ramos의 앰버 측정은 이상적인 유리에 대한 관심의 급증의 일부입니다. 지난 몇 년 동안, 유리를 만들고 컴퓨터에서 시뮬레이션하는 새로운 방법으로 인해 예상치 못한 진전이 생겼습니다. 이상적인 유리의 특성과 일반 유리와의 연결에 대한 주요 단서가 나타났습니다. 몽펠리에 대학교 (University of Montpellier)의 물리학자인 Ludovic Berthier는“이 연구는 이상적인 유리 상태의 존재에 대한 새로운 지원을 제공합니다.
그러나 이상적인 유리의 떠오르는 그림은 우리가 한 조각의 증거를 따로 설정하는 경우에만 의미가 있습니다.
Berthier는“실제로 앰버의 작품은 합리화하기 어려운 것으로 두드러집니다.”
.유리의 역설
액체를 식히면 유리로 결정화되거나 경화됩니다. 이 두 가지 중 어느 것이 발생하는지에 따라 유리 분쇄기가 수천 년 동안 시행 착오를 통해 배운 과정의 미묘함에 달려 있습니다. 영국 브리스톨 대학교 (University of Bristol)의 유리 물리학자인 패디 로얄 (Paddy Royall)은“결정화를 피하는 것은 어두운 예술입니다.
두 옵션은 크게 다릅니다.
결정화는 액체상에서 분자가 무질서하고 자유롭게 흐르는 액체 상으로서의 극적인 스위치이며, 이는 분자가 규칙적이고 반복되는 패턴에 고정된다. 예를 들어 H 2 이기 때문에 물이 섭씨 제로에서 얼음으로 얼어 붙습니다. o 분자는 그 온도에서 서로의 힘을 느끼고 자물쇠에 빠지기에 충분히 흔들리는 것을 멈추고 있습니다.
냉각되면 다른 액체는 유리가됩니다. 예를 들어, 실리카 - 창 유리는 섭씨 1,000도 이상의 용융 액체로 시작합니다. 식 으면서, 무질서한 분자는 약간 더 가까이 다가 가서 약간 더 가깝게 수축되어 액체가 점점 점점 더 높아집니다. 결국, 분자는 완전히 움직이지 않습니다. 이 점진적인 유리 전환에서 분자는 재구성되지 않습니다. 그들은 단순히 정지 상태로 갈아 입습니다.
정확히 냉각 액체가 강화되는 이유는 알려져 있지 않습니다. 유리의 분자가 너무 차가워서 흐르지 않더라도 여전히 새로운 배열로 낭비 할 수 있어야합니다. 그러나 유리는 삐걱 거리지 않습니다. 그 뒤죽박죽 분자는 액체의 분자와 동일하게 보이지만 진정으로 단단합니다. 케임브리지 대학의 유리 이론가 인 카밀 가리에 (Camille Scalliet)는“액체와 유리는 같은 구조를 가지고 있지만 다르게 행동한다”고 말했다. “이해가 주요 질문입니다.”
1948 년 월터 카우즈 만 (Walter Kauzmann)이라는 젊은 화학자가 엔트로피 위기로 알려진 것을 알아 차렸을 때, 나중에 연구자들이 이상적인 유리가 해결할 수 있다는 것을 깨달은 유리적인 역설을 발견했을 때 단서가 나왔습니다.
Kauzmann은 액체를 천천히 식히면 유리로 전환되기 전에 더 많이 식힐 수 있다는 것을 알았습니다. 그리고 느리게 형성된 유리가 더 밀도가 높고 안정적으로 끝납니다. 그 분자는 더 오래 셔플을 섞어 (액체는 여전히 점성이었고) 더 단단하고 에너지가 낮은 에너지 배열을 발견하기 때문입니다. 측정은 느린 형성 유리의 엔트로피 또는 장애의 상응하는 감소를 나타냈다-분자가 동일한 저에너지로 배열 될 수있는 방법이 적다.
.추세를 추정하면서 Kauzmann은 액체를 천천히 식힐 수 있다면 완전히 강화되기 전에 Kauzmann 온도로 알려진 온도까지 냉각 할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그 온도에서, 생성 된 유리는 결정의 것만 큼 낮은 엔트로피를 가질 것이다. 그러나 결정은 깔끔하고 질서 정연한 구조입니다. 정의에 의해 무질서한 유리가 어떻게 같은 질서를 가질 수 있습니까?
평범한 유리는 없을 수 없으며, 이는 카우즈만 온도에서 특별한 일이 일어나야한다는 것을 암시했습니다. 액체가 그 온도에 도달하면 이상적인 유리 상태에 도달하면 위기를 피할 수 있습니다. 그러한 상태는 각 분자가 서로의 위치를 느끼고 영향을 미치는“장거리 비정질 순서”를 나타냅니다. 따라서 움직이기 위해서는 하나로 움직여야합니다. 이 추정 상태의 숨겨진 장거리 순서는 결정의 더 명백한 질서와 경쟁 할 수 있습니다. 매디슨 위스콘신 대학교 (University of Wisconsin)의 화학 물리학자인 마크 에거 (Mark Ediger)는“사람들이 이상적인 유리가 있어야한다고 생각한 이유의 핵심이있었습니다.
1958 년 Julian Gibbs와 Edmund Dimarzio가 처음으로 발전 한이 이론에 따르면, 이상적인 유리는 액체 및 결정 단계와 유사한 진정한 물질의 단계입니다. 이 단계로의 전환은 너무 오래 걸리므로 과학자들이 볼 수 있도록 냉각 과정이 너무 느려야합니다. 뉴욕 대학교 (New York University)의 응축 물리학자인 다니엘 스타 인 (Daniel Stein)은 이상적인 글래스 전환은“마스크가됐다”고 말했다.
Stein은“유리를 어둡게 보는 것과 같습니다. “우리는 [이상적인 유리]에 도착하거나 볼 수 없습니다. 그러나 우리는 이론적으로 진행되는 일에 대한 정확한 모델을 만들려고 노력할 수 있습니다.”
.새로운 유리
예기치 않은 도움은 실험에서 나왔습니다. 액체를 냉각시켜 이상적인 유리를 형성 할 희망은 없었습니다. 유리 제조 방법 인간은 수천 년 동안 사용했습니다. Kauzmann 온도에 부딪 치기 전에 경화를 막기 위해 액체를 불가능하게 천천히 천천히 식어야합니다. 그러나 2007 년 위스콘신 물리학자인 Ediger는 새로운 유리 제조 방법을 개발했습니다. "우리는 완전히 다른 길을 따라 밀도가 높은 안경을 만들 수있는 또 다른 방법이 있다는 것을 알아 냈습니다."
는 말했습니다.Ediger와 그의 팀은 평범한 것과 이상적인 상태의 상태에 존재하는“매우 안정적인 안경”을 만들 수 있음을 발견했습니다. 증기 증착이라는 방법을 사용하여, 그들은 마치 테트리스를 연주하는 것처럼 분자를 표면에 하나씩 떨어 뜨려 각 분자가 다음 분자가 내려 오기 전에 형성 유리에 껴안는 유리에 적합하게 할 수있게했습니다. 생성 된 유리는 인류 역사상 모든 유리보다 더 밀도가 높고 안정적이며 엔트로피가 더 낮았습니다. Ediger는“이 재료는 액체를 가져 와서 백만 년 동안 식히면 기대할 수있는 특성을 가지고 있습니다.
매우 안정적인 유리의 또 다른 속성은 결국 이상적인 유리에 가장 유망한 로드맵을 드러 낼 것입니다.
마드리드의 미구엘 라모스 (Miguel Ramos)가 이끄는 두 그룹 (두 그룹)은 2014 년에 그 재산이 모든 일반 유리의 보편적 특성에서 벗어난 것을 발견했을 때 그 재산을 확인했습니다.
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물리학 자들은 수십 년 동안 초고대 유리가 온도를 높이는 데 필요한 열량 인 열 용량이 높다는 것을 수십 년 동안 알고 있습니다. 유리는 온도에 직접 비례하는 열 용량으로 결정이 절대 0에 가까워 질 수있는 것보다 더 많은 열을 취할 수 있습니다.
존경받는 노벨상을 수상한 요약 물리학자인 Phil Anderson을 포함한 이론가들은 1970 년대 초에 설명을 제안했습니다. 그들은 유리에 많은“2 단계 시스템”이 포함되어 있다고 주장했다. 버클리 캘리포니아 대학교의 프랜시스 헬먼 (Frances Hellman)은“수정 재료에는 존재하지 않는다”고 말했다.
원자 나 분자는 이웃에 의해 너무 박스를 뿌려서 실온에서 많은 전환을 수행하지만 열은 2 레벨 시스템을 활성화하여 원자에 셔플하는 데 필요한 에너지를 제공합니다. 이 활동은 유리의 온도가 떨어짐에 따라 감소합니다. 그러나 절대 제로 근처에서 양자 효과가 중요해집니다. 유리에있는 원자 그룹은 대체 구성 사이에 기계적으로 "터널"을 할 수 있고, 장애물을 바로 통과시키고, 심지어 2 레벨 시스템의 두 수준을 한 번에 차지할 수 있습니다. 터널링은 많은 열을 흡수하여 유리의 특징적인 고열 용량을 생성합니다.
Ediger가 매우 안정적인 유리를 만드는 방법을 알아 낸 지 몇 년이 지난 후, 마드리드의 버클리와 라모스의 Hellman 그룹은 Absolute Zero 근처의 보편적 인 열 용량에서 벗어날 수 있는지 여부를 독립적으로 연구하기 시작했습니다. 각각의 실험에서, 그들은 초 안정적인 실리콘 및 초 안정적인 인도 메타 신 (항 염증 약물로 사용되는 화학 물질)의 저온 특성을 조사했습니다. 물론, 그들은 두 안경 모두 크리스탈과 일치하여 절대 제로 근처의 평소보다 훨씬 낮은 열 용량을 가지고 있음을 발견했습니다. 이는 매우 안정적인 유리가 그 사이에 터널링 할 2 레벨 시스템이 적다는 것을 시사했습니다. 분자는 특히 경쟁 업체가 거의없는 아늑한 구성에 있습니다.
매우 안정적인 유리의 매우 낮은 열 용량이 실제로 2 단계 시스템이 적어야한다면 이상적인 유리가 자연스럽게 2 단계 시스템이없는 상태에 해당합니다. 컬럼비아 대학교의 이론가 인 데이비드 레이히먼 (David Reichman)은“모든 원자가 무질서한 곳에 완벽하게, 어쨌든 결정 구조는 없지만 전혀 움직이는 것은 없다”고 말했다.
더욱이, 각 분자가 다른 모든 분자의 위치에 영향을 미치는이 완벽한 장거리 비정질 순서의 상태를 향한 드라이브는 우리 주변의 유리로 액체가 강화되는 원인이 될 수 있습니다.
.이 새로운 그림에서 액체가 유리가되면 실제로 장거리 순서로 기본적으로 당기는 이상적인 유리 단계로 전환하려고 시도하고 있습니다. Royall은 이상적인 유리는 종말점이지만 분자들이 함께 더 가까이 다가 가려고 할 때, 그들은 붙어있다. 점점 증가하면 시스템이 원하는 상태에 도달하는 것을 방지합니다.
최근 획기적인 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이러한 아이디어를 테스트했습니다. 시뮬레이션 된 분자가 함께 모이는 데 필요한 특별한 컴퓨팅 시간으로 인해 컴퓨터의 초보자 유리를 시뮬레이션 할 수 없었습니다. 그러나 2 년 전 Berthier는 그 과정의 속도를 1 조의 계수로 가속화 할 수있는 트릭을 발견했습니다. 그의 알고리즘은 무작위로 두 개의 입자를 선택하고 위치를 교환합니다. 이 쉐이크 업은 시뮬레이션 된 액체가 멈추지 않도록 도와 주어 분자가 코골이 맞춰질 수 있도록합니다.
Physical Review Letters 에 출판을 위해 검토중인 논문에서 , Berthier, Scalliet, Reichman 및 두 공동 저자는 시뮬레이션 유리가 안정적 일수록 2 단계 시스템이 적습니다. Hellman과 Ramos의 열 용량 측정과 마찬가지로 컴퓨터 시뮬레이션은 분자 그룹의 경쟁 구성이 유리 엔트로피의 공급원임을 제안합니다. 이러한 대체 상태가 적을수록, 비정질 고체가 더 안정성과 장거리 순서가 더 많고, 이상적이어야합니다.
.휴스턴 대학교의 이론가 Vassiliy Lubchenko와 Rice University의 Peter Wolynes는 2007 년에 이상적인 유리에 2 단계 시스템이 없어야한다고 제안했습니다. Wolynes는 이메일로“Berthier의 결과에 매우 만족합니다.
앰버 이상
그러나 그 앰버가 있습니다.
Ramos와 그의 공동 작업자들은 물리적 리뷰 레터 에 노란 유리의 오래되고 "회춘"샘플에 대한 비교를 발표했습니다. 그들은 2014 년에 110 만 명의 앰버가 매우 안정적인 유리와 일치하여 약 2% 밀도가 높았다는 것을 발견했습니다. 이것은 앰버가 시간이 지남에 따라 실제로 안정화되었음을 암시해야한다.
그러나 마드리드 팀이 고대 유리를 거의 절대 0으로 식고 열 용량을 측정했을 때 결과는 다른 이야기를 들려주었습니다. 노인 앰버는 새로운 앰버와 다른 모든 일반 유리와 동일한 고열 용량을 가졌습니다. 그 분자는 평소와 같이 많은 2 단계 시스템 사이에서 터널링을하는 것처럼 보였습니다.
호박색이 안정화되어 밀도가 높아짐에 따라 시간이 지남에 따라 2 단계 시스템의 수가 떨어지지 않았습니까? 그 결과는 적합하지 않습니다.
Vapor-Deposition 방법의 창시자 인 Ediger는“Amber에 대한 실험이 정말 마음에 들지만 호박색 유리를 만드는 것은 지저분한 과정입니다. "기본적으로 시간이 지남에 따라 화학적으로 화학적으로 변화하고 강화되는 수액입니다." 그는 스페인 앰버의 불순물이 열 용량 측정을 무효화했을 수 있다고 생각합니다.
연구원들은 앰버와 실험실 및 시뮬레이션 된 유리에 대한 추가 실험을 할 계획이며, 2 단계 시스템에 대한 자세한 내용을 밝히고 추정 이상적인 이상 상태에 더 가까워지기를 희망합니다. Reichman은 완전한 확실성으로 그 존재를 증명하는 것이 결코 불가능할 수 있다고 지적했다. "어쩌면 언젠가 우리는 적어도 컴퓨터에서 우리가 찾고있는 이상적인 유리가 될 수있는 방식으로 입자를 정확하게 포장하는 방법을 알게 될 것"이라고 그는 말했다. "그러나 우리는 그것이 안정적인지 확인하기 위해 너무 오랫동안 기다려야 할 것입니다."
.편집자 주 :Ludovic Berthier와 David Reichman은 로부터 자금을 받았습니다. Simons Foundation , 이것도 이것을 지원합니다 편집자 독립 간행물 . Simons Foundation Funding은 우리의 보도에서 아무런 역할을하지 않습니다.
이 기사는 에 재 인쇄되었습니다 wired.com .
