ZNANOST: hrvatski znanstveni portal

Je li staklo zaista kruto tijelo?

Staklo je amorfni oblik materije. U svakodnevnoj uporabi, termin ‘staklo’ koristi se za materijal baziran na silicijevom dioksidu koji svoju primjenu nalazi u proizvodnji prozora i boca. U znanosti, pak, ovaj se termin koristi u širem smislu, i njime se opisuju svi oni materijali amorfne strukture, koji posjeduju određena svojstva prilikom promjene (agregatnog) stanja.

No, postavlja se pitanje jeli staklo s kojim se svakodnevno susrećemo krutina ili tekućina.

Pobornici tvrdnje da je staklo tekućina kao argument su uzimali stare prozore, kod kojih je staklo u donjem dijelu bilo deblje nego u gornjem. Ovo je, kako su tvrdili, posljedica stoljetnog tečenja stakla, koje se uslijed gravitacije s vremenom ‘cijedi’ prema dolje.

Ova je teorija, kao što danas znamo, pogrešna. Razlog takvom zadebljanju stakla nije tečenje stakla, već sama proizvodnja stakla, koja je uvijek rezultirala staklenim objektom nejednake debljine.

I tako sve do sredine 20. stoljeća, kada je Alastair Pilkington razvio process proizvodnje stakla koji se i dan danas koristi, a temelji se na primjeni stlačenog dušika na rastaljeno staklo koje pluta na površini rastaljenog kositra. Današnje je staklo svugdje jednake debljine.

Teorija tečenja stakla nije jedino što ne ide u prilog svrstavanju stakla u tekućinu. Pridonose tome i osnovna, dobro poznata svojstva tekućina i krutina. Tekućine imaju, baš kao i krutine, konačan volumen. No razlika je u tome što tekućine poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze, što nije slučaj s krutinama.

Jasno je iz ovoga da staklo nije tekućina. K tome, prema znanstvenoj definiciji stakla, ono je amorfna krutina koja nastaje brzim hlađenjem tekućine. Staklo je, dakle, po definiciji krutina. Unatoč tome, postoji više teorija o transformacijama stakla no što je onih koji te teorije predlažu. U čemu je problem?

Problem je taj što je staklo - amorfne strukture. Na mikroskopskoj razini staklo se ne ponaša kao krutina jer hlađenjem ne poprima kristalnu strukturu, koja se smatra osnovom krutine. Tijekom hlađenja stakla ne postoji jasna transformacija kao što je to slučaj s, recimo, vodom, koja hlađenjem postaje led.

Čini se kako staklo, barem na mikroskopskoj razini, nikada ne prestaje teći, iako je to tečenje izuzetno sporo. Koliko sporo možemo si predočiti tako da zamislimo vremenski period od 10 milijuna godina. Toliko bi, naime, trebalo staklu da tečenjem promijeni oblik u obujmu zamjetnom ljudskom oku.

S ciljem odgovaranja na pitanje prestaje li staklo ikada teći, znanstvenici s Bristol i Kyoto sveučilišta koristili su računalne simulacije i teoriju informacija, inicijalno razvijenu za potrebe kriptografije i telefonske komunikacije.

Predvođeni profesorima Paddy Royall i Karoline Wiesner s Bristol sveučilišta te profesorom Ryochi Yamamotom s Kyoto sveučilišta, skupina znanstvenika na ovom projektu otkrila je da tijekom vremena raste udio krutih područja u strukturi stakla, te da se atomi unutar tih područja organiziraju u određene geometrijske oblike.

Naime, na mikroskopskoj razini, staklo je izgrađeno od dvaju strukturno različitih područja – krutine i tekućine. “Područja od nekoliko desetaka molekula su u tekućem stanju, dok je okolno područje u krutom stanju. Tijekom vremena, područja u tekućem stanju mijenjaju svoje stanje u krutinu. Time ukupan udio područja u krutom stanju raste dok u jednom trenutku u potpunosti ne prevlada”, rekao je professor Royall.

To znači da se, u određenom trenutku, staklo pretvara u idealnu krutinu. Staklo je, dakle, ipak krutina.

Razumijevanje procesa nastanka materijala koji imaju svojstva stakla te postoji li uopće staklo kao idealna krutina bitno je, između ostalog, za razvoj metalnog stakla. Mehanička svojstva ovog materijala, poput krutosti, nadmašuju svojstva metala čime ovaj materijal postaje zanimljiv u mnogim područjima primjene. Osim toga, još jedna skupina materijala koja se ponaša poput stakla jesu materijali koji se koriste za optičku pohranu digitalnih podataka, a koji će biti odgovorni za nadolazeće tehnologije razvoja diskova visokih performansi.

Izvor: IFLSci, BristolUni

Podijeli.