CHAMPAIGN, Ill. – Az az elképzelés, hogy a merevség és a rendezettség együtt jár, a modern elméleti fizika diadala. De kevésbé világos, hogy ez a két tulajdonság hogyan kapcsolódik egymáshoz, amikor a folyadék lehűl és szilárdszerűvé válik – ezt a jelenséget üvegesedésnek nevezik. Most az Illinoisi Egyetem kémiai fizika professzora, Peter Wolynes és Xiaoyu Xia végzős hallgató megtalálta a módját, hogy megmagyarázza az üvegszerű anyagok furcsa viselkedését.
"A kristályokban lévő atomok periodikus tömbje másként viselkedik, mint egy folyadék" - mondta Wolynes, aki a James R-t birtokolja.Eiszner Kémia tanszék az UI-n. "Például egy tömbben nem lehet csak egy atomot mozgatni anélkül, hogy a teljes szerkezetet el ne mozdítaná. Az üveg, amorf szilárd anyag merevsége még rejtélyesebb. Minden látszólagos rend nélkül ez a kaotikus atomegyüttes úgy viselkedik, mintha mereven megdermedne."
Az üveges jelenségek jellemzően hosszú időtávon jelentkeznek. "Milyen gyorsan növekszik az időskála az anyag lehűtésével, az határozza meg a törékenységet" - mondta Wolynes. "A törékenység megkülönbözteti a gyors üvegképzőket – például a polimereket – a lassúaktól, mint például a közönséges ablaküveg. A törékenységnek más üvegképző tulajdonságokkal való mennyiségi viszonyítása azonban megfoghatatlan cél volt."
Tíz évvel ezelőtt Wolynes kifejlesztett egy elméletet, az úgynevezett Random First Order Transition Theory of Glasses, amely minőségileg írja le az üvegesedési jelenséget. Az eredményül kapott matematikai kifejezés a fagyasztás mikroszkopikus elméletein alapult.
A szokásos fagyasztástól eltérően – amely általában csak néhány rendezett mintát foglal magában – úgy tűnt, hogy sok olyan mintázat létezik, amelyekbe a folyadék megfagyhat, és továbbra is rendezetlennek nevezhető – mondta Wolynes. Úgy tűnt, hogy a lehetséges fagyási minták száma összefüggésben van az anyag merevségével.
"A közbenső években rájöttünk, hogy elméletünk alapján kvantitatívan megmagyarázhatjuk azt az egy számot, amelyre szükség van az egyik üvegszerű anyag megkülönböztetéséhez a másiktól – ez az alapvető áramlási jellemző, amelyet törékenységnek neveznek" - mondta Wolynes. "Ezután összefüggésbe hozhatjuk egy anyag törékenységét a hőkapacitás termodinamikai méréseivel."
Míg egy folyadék hőkapacitása meglehetősen nagy, addig az üvegesedéskor a kristályos állapotra jellemzőbb értékre esik. A hőkapacitás különösen érdekes, mert összefügg az anyag rendezetlenségének vagy entrópiájának mértékével: A nagy hőkapacitású folyadék sokkal gyorsabban veszít entrópiából, ahogy lehűl.Egy anyag hőkapacitásának mérésével, majd az egyenletükbe való beillesztésével a kutatók megjósolhatják, hogy a molekula mozgása milyen sebességgel változik a hőmérséklettel.
"Az a tény, hogy ma már minden üveges anyag univerzális formában kifejezhető, sokkal nagyobb bizalmat ad nekünk abban, hogy valóban megértjük az üvegátmeneti jelenséget" - mondta Wolynes. "Ez a tudás sok más tanulmányi területen hasznos lesz, beleértve a fehérje hajtogatását."
Wolynes és Xia a Proceedings of the National Academy of Sciences március 28-i számában ismertette elméletét.
