За допомогою комп'ютерного моделювання фізики показали, як і чому скло стає твердим при охолодженні. Виявилося, що при перетворенні переохолодженої рідини в аморфне тверде тіло в матеріалі виникає велика розгалужена мережа частинок, на які діє нескомпенсована сила з боку сусідів. Це призводить до виникнення далекодіючих кореляцій у полі механічних напружень всередині скла. Саме такі мережі і роблять скло твердим, незважаючи на його аморфну структуру, пишуть вчені в.
У структурі скла, на відміну від структури кристалів, далекого порядку немає. Це аморфні системи - положення і орієнтація сусідніх елементів (наприклад тетраедрів SiO4 у разі силікатного скла) в них жорстко пов'язані, але при збільшенні відстані між елементами цей зв'язок повністю втрачається. У кристалах саме система жорстких хімічних зв'язків забезпечує твердість і не дає їм руйнуватися, а що служить заміною кристалічній структурі в аморфних тілах і робить твердими їх, досі до кінця не зрозуміло.
У 2018 році французький фізик Ерік Дежюлі запропонував теоретичне пояснення твердості скла при температурі абсолютного нуля. Його теорія пов'язує напружений стан в аморфному твердому матеріалі за відсутності зовнішнього навантаження і температурних флуктуацій з розмірністю простору і показує, що, незважаючи на відсутність впорядкованої структури, в аморфному матеріалі є далекодіючі кореляції в полі внутрішніх напружень. Для будь-яких аморфних твердих тіл кореляційна функція змінюється за ступенем закону 1/rd для d-мірного простору. Однак, незважаючи на те, що ця теорія була підтверджена і за допомогою експерименту, і за допомогою комп'ютерного моделювання, суворого пояснення твердості аморфних тіл при ненульовій температурі вона не дає.
Щоб пояснити виникнення твердості біля скла при температурі вище нуля, фізики з Японії, Китаю та Індії під керівництвом Хадзіме Танакі (Hajime Tanaka) з Токійського університету змоделювали на комп'ютері процес переходу переохолодженої рідини в склоподібний стан при охолодженні нижче температури скловування. Використана вченими комп'ютерна модель являла собою упереджену або тривимірну систему, що складається з декількох тисяч твердих сферичних частинок двох розмірів, які відштовхуються один від одного за гармонійним законом.
В результаті моделювання авторам роботи вдалося в деталях вивчити, що відбувається в процесі нерівноважного перетворення рідини на тверду склоподібну аморфну структуру: як при переході змінюються поле внутрішніх напружень всередині матеріалу і вид кореляційної функції. Ці спостереження фізики пов'язали зі зміною структури матеріалу.
Виявилося, що при зниженні температури до критичного значення в напруженій системі з'являється велика кількість частинок, на які з боку інших частинок діє сила, яку не вдається скомпенсувати. Якщо кількість таких частинок з залишковою нескомпенсованою силою досягає перколяційної межі, то поля напружень для окремих частинок починають перекриватися таким чином, що вони утворюють довгі пов'язані ланцюжки, що проходять через весь матеріал. У результаті виникнення складних розгалужених мереж, що впливають одна на одну частинок в системі виникають механічні кореляції. Впорядкована кристалічна структура при цьому не формується, але виникає мережа механічних зв'язків між окремими елементами.
Автори роботи таким чином показали, що нетривіальна самоорганізація в неупорядкованих структура може призводити до появи далекодіючих кореляцій в полях механічних властивостей скла, а отже бути причиною твердості аморфних матеріалів. Вчені відзначають, що результат тим більше дивний, що в системі в результаті утворення розгалуженої мережі частинок з нескомпенсованим навантаженням збуджується велика кількість ангармонійних флуктуацій, які, тим не менш, не заважають виникненню далекодіючих механічних кореляцій. За словами авторів, їх відкриття допоможуть краще зрозуміти механіку аморфних твердих тіл, що в майбутньому допоможе при створенні скла для смартфонів, комп'ютерів або посуду.
Минулого року вченим вдалося створити тонке неорганічне скло, яке можна розтягувати, стискати і згинати без появи тріщин при кімнатній температурі. Для цього вчені використовували аморфний оксид алюмінію, з якого поки, правда, можна робити лише невеликі тонкі плівки.