شیشه مایع است یا جامد؟

به گزارش سیتنا، یک چیز عجیب در مورد پنجره‌های رنگی ساختمان‌های قرون وسطایی وجود دارد: آنها معمولا در پایین ضخیم‌تر از بالا هستند؛ بسیاری بر این باورند که این به این دلیل خاصیت مایع بودن شیشه است که در طول قرن‌ها حرکت کرده است. در مقابل، دیگران استدلال می‌کنند که شیشه جریان ندارد، زیرا یک جامد یا شاید یک جامد آمورف(بی‌شکل) یا یک مایع فوق سرد است.

جامد یا مایع یا چیزی در این بین؟

دانشمندان بر این باورند که شیشه نه یک مایع واقعی است و نه یک جامد واقعی و ویژگی هر دو را دارد، در واقع حالت متمایز ماده خود را دارد. تعریف فنی این است که شیشه یک حالت غیرتعادلی و غیربلوری از ماده‌ است که در مقیاس زمانی کوتاه جامد به نظر می‌رسد اما به طور مداوم به سمت حالت مایع می‌رود.

ممکن است پیچیده به نظر برسد، اما نگاه کردن به هر یک از اجزای این تحقیق به طور جداگانه نشان می‌دهد که چگونه شیشه بین شکل جامد و مایع قرار می‌گیرد. اول، مهم است که به یاد داشته باشید که شیشه به سادگی مواد شفافی نیست که ما برای پنجره‌ها استفاده می‌کنیم. بلکه خانواده‌ای از مواد است که برخی از آنها حتی واضح نیستند.

بیشتر شیشه‌های روزمره چیزی است که به آن شیشه سیلیکات سودا آهکی می‌گویند که از ماسه، سنگ آهک و خاکستر سودا که با هم در دمای حدود 1500 درجه سانتیگراد ذوب شده‌اند، ساخته شده‌است. اما انواع دیگری از شیشه نیز مانند پیرکس مقاوم در برابر حرارت یا قوی و شیشه‌های خم شونده گوریلا گلس که حاوی مواد شیمیایی دیگری هستند تا خواص ویژه ای به آن ها بدهد و یا انواع عینک‌های طبیعی و مصنوعی مختلف، وجود دارد.

اگرچه انواع شیشه از نظر شیمیایی متفاوت هستند، اما ساختار مواد هر یک، مشترکات زیادی دارد. این ساختار، چیدمان اتم‌ها و مولکول‌های درون ماده است که باعث سردرگمی در مورد ساختار شیشه و اینکه آیا آن جامد است یا مایع است، می‌شود. آنچه به یک ماده خاصیت جامد می‌دهد این است که اتم‌ها در موقعیت خود در ماده ثابت هستند. از سوی دیگر، در یک مایع، اتم‌ها در همه جا هستند و می‌توانند به راحتی به اشکال مختلف به خود بگیرند.

معمولاً وقتی به یک جامد فکر می‌کنیم، در واقع یک ماده کریستالی در نظر داریم؛ چیزی مانند نمک، که ساختار منظم و مرتبی دارد. در دمای زیر نقطه ذوب، ساختار کریستالی جامد، پایدارترین شکل است و در دمای بالاتر از نقطه ذوب، شکل مایع پایدارتر می‌شود. همه مواد می‌خواهند پایدارترین شکل خود را که به عنوان حالت تعادل شناخته می شود، بدست بیاورند. با این حال، شیشه غیرعادی است زیرا چنین حالت پایداری ندارد.

شیشه از ذوب اجزای مختلف برای به دست آوردن مایعی بسیار چسبناک مانند شربت ساخته می‌شود که به راحتی جاری نمی‌شود. سپس، به سرعت سرد می‌شود، اما از آنجایی که بسیار چسبناک است، اتم‌ها نمی‌توانند به راحتی حرکت کنند تا به ساختار جامد منظم‌تری بازآرایی شوند و در نتیجه اتم‌ها در آرایش‌های نامنظم گیر می‌افتند. این ماده از نظر مکانیکی جامد است اما ساختاری بی‌نظم شبیه مایع دارد.

برای رسیدن به تعادل، شیشه باید به حالت مایع برگردد. اما در دمای اتاق، ذرات به قدری آهسته حرکت می‌کنند که این حالت، عملی نمی‌شود. این همان چیزی است که به آن تعادل فراپایدار می‌گویند؛ در واقع زمانی که ما با آن در تعامل هستیم جامد به نظر می‌رسد اما در مقیاس زمانی دیگری شیشه به سمت مایع شدن در حرکت است. این بدان معناست که اگرچه ممکن است تغییرات بسیار آهسته‌ای در ماده رخ دهد که در مقیاس زمانی میلیاردها سال اندازه گیری و مشاهده می‌شود اما شیشه بیشتر شبیه یک جامد است تا مایع.

به گفته دانشمندان از لحاظ عملی، شیشه به عنوان یک جامد سفت و سخت که در هر مقیاس زمانی معقولی اندازه گیری می شود، تعریف می‌شود. حتی قدمت قدیمی‌ترین کلیساهای اروپا برای دیدن شیشه‌هایی که مانند مایع رفتار می کنند کافی نیست. در واقع، توضیح بسیار ساده‌تری برای شیشه‌های تاب‌دار پنجره‌های قدیمی وجود دارد، «برخی از شیشه‌ها در قسمت پایین‌تر خود از قسمت بالاترشان ضخیم‌تر هستند، زیرا 1000 سال پیش، افراد نمی‌توانستند شیشه‌ای با ضخامت یکنواخت بسازند و یا باید به آن شکل ساخته میشد تا می‌توانستند آن‌ را در قاب و یا هرچیز دیگری قرار بدهند.»

انتهای پیام