Porządkowanie nieuporządkowanych amorficznych ciał stałych
Co mają ze sobą wspólnego okna, plastikowe butelki, gumowe opony, landrynki i majonez? Otóż wszystkie są amorficznymi ciałami stałymi. „W przeciwieństwie do dobrze zorganizowanych ciał krystalicznych amorficzne ciała stałe stanowią przykład totalnego nieporządku”, wyjaśnia Francesco Zamponi, fizyk z paryskiej uczelni École normale supérieure. „Wykazują one szerokie spektrum anomalii, w tym postacie drgań o niskiej częstotliwości, ich ciepło właściwe i przewodność cieplna zachowują się inaczej niż w przypadku kryształów, a ponadto reagują nieliniowo na niewielkie odkształcenia i cechują się wysoce kooperatywną dynamiką”. Ponieważ zjawisko tych anomalii nie doczekało się jeszcze solidnego opracowania teoretycznego, zagadnienie amorficznych ciał stałych jest w dużej mierze pomijane w większości standardowych podręczników do fizyki. Jednak Zamponi wierzy, że może to zmienić, korzystając ze wsparcia finansowanego przez UE projektu GlassUniversality. „Naszym celem było stworzenie »solidnych« podstaw dotyczących niektórych kluczowych aspektów amorficznych ciał stałych, na których mogą się w przyszłości oprzeć inne projekty badawcze”, dodaje.
Wprowadzenie do „przejścia Gardner”
Jedna z proponowanych teorii na potrzeby ustanowienia uniwersalnego wyjaśnienia wszystkich anomalii związanych z amorficznymi ciałami stałymi opiera się na zjawisku określanym jako „przejście Gardner” (ang. Gardner transition). Koncepcja ta, nazwana na cześć jej odkrywczyni physicist (Elisabeth Gardner), pionierki fizyki statystycznej układów nieuporządkowanych i sztucznej inteligencji, opisuje przejście indukowane temperaturą lub ciśnieniem, w którym nieuporządkowany układ (np. amorficzne ciało stałe) organizuje się w jeden z wielu marginalnie stabilnych stanów. „Chcieliśmy zrozumieć, w jakim stopniu ta przemiana fazowa wpływa na fizykę szkła w niskich temperaturach”, mówi Zamponi. Korzystając z symulacji komputerowych i numerycznych, naukowcy postanowili scharakteryzować wzbudzenia i defekty różnych rodzajów szkła. Wzbudzenia i defekty odnoszą się do nieznacznych termicznych ruchów atomów wokół referencyjnej nieuporządkowanej struktury ciała stałego, które kontrolują jego zachowanie w niskiej temperaturze. „Marginalna stabilność wywołana przejściem Gardner pozwala zakładać, że takie ruchy będą zarówno rozszerzać się, obejmując całą próbkę ciała stałego, jak i będą silnie skorelowane, gdzie ruch atomu po jednej stronie będzie odzwierciedlał ruch zachodzący po drugiej stronie”, zaznacza Zamponi.
Kilka nieoczekiwanych odkryć
Czy tak było w rzeczywistości? Naukowcy odkryli, że takie wzbudzenia podobne do przejścia Gardner istnieją, ale tylko dla szkła, które jest wystarczająco blisko tzw. punktu zakleszczenia – punktu, w którym mechanicznie stabilna sieć interakcji atomowych po raz pierwszy tworzy się podczas kompresji. „Było to nie tylko nieoczekiwane, ale także problematyczne”, zauważa Zamponi. „Ponieważ nie spodziewaliśmy się, że wzbudzenia typu Gardner zanikną z dala od punktu zakleszczenia, musieliśmy opracować nowe symulacje, aby zrozumieć, jak lokalizują się te wzbudzenia i jak ze sobą oddziałują”. Naukowcy odkryli również, że gdy szkło jest silnie skompresowane powyżej punktu zakleszczenia, co ma miejsce w przypadku szkła stosowanego w większości okien, wzbudzenia stają się silnie zlokalizowane, ponieważ obejmują ruch tylko kilku atomów. Była to pierwsza bezpośrednia obserwacja i charakterystyka takich wzbudzeń, które nazywane są tunelowanymi układami dwupoziomowymi i odgrywają kluczową rolę w fizyce szkła. Do wykonania tego zadania użyto realistycznego komputerowego modelu szkła. Wiele z wyników tego projektu, wspartego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, zostało opublikowanych w książce „Theory of simple glasses”.
Otwarcie drzwi do nowych obszarów badań
Prace w ramach projektu GlassUniversality przyczyniły się nie tylko do lepszego zrozumienia amorficznych ciał stałych, takich jak szkło, ale otworzyły również drzwi do badań w innych dziedzinach. Jednym z takich przykładów są białka. Białka można postrzegać jako nieuporządkowane maszyny w stanie stałym zdolne do wykonywania określonych funkcji, w związku z czym wiele pomysłów pochodzących z projektu GlassUniversality można zastosować do ich badania. „Myślę, że projektowanie nieuporządkowanych materiałów, które mogą pełnić określone funkcje, jest niezwykle ekscytującym kierunkiem przyszłych badań”, podsumowuje Zamponi.
Słowa kluczowe
GlassUniversality, ciała krystaliczne, amorficzne ciała stałe, modele obliczeniowe, modele numeryczne, szkło, fizyka, przejście Gardner, białka
