شیشه جامد است یا مایع؟

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری علم و فناوری آنا، یک چیز عجیب در مورد پنجره‌های رنگی ساختمان‌های قرون وسطایی وجود دارد: آنها در قسمت های پایین ضخیم‌تر از بالا هستند. بسیاری بر این باورند دلیل این پدیده آن است که شیشه در واقع مایعی است که در طول قرن ها از بالا به پایین پنجره جاری شده است. در مقابل، دیگران استدلال می کنند که شیشه جریان ندارد؛ زیرا یک جامد است - یا شاید یک جامد بی شکل یا یک مایع فوق سرد.

پس واقعاً شیشه چیست - جامد یا مایع یا چیزی در این بین؟
 

«جان مائورو»، دانشمند مواد در ایالت پنسیلوانیا گفت: شیشه نه یک مایع واقعی است و نه یک جامد واقعی – از هر دو ویژگی برخوردار است اما حالت متمایز ماده خود را دارد. تعریف فنی این است که شیشه یک حالت غیر تعادلی و غیر بلوری از ماده است که در مقیاس زمانی کوتاه، جامد به نظر می رسد اما به طور مداوم به سمت حالت مایع شل می شود.

این ممکن است پیچیده به نظر برسد، اما در نظر گرفتن هر یک از اجزای این توضیح به طور جداگانه، نشان می دهد که چگونه شیشه بین شکل جامد و مایع قرار می گیرد.

اول، مهم است که به یاد داشته باشید که شیشه به سادگی مواد شفافی نیست که ما برای پنجره ها استفاده می کنیم. بلکه یک خانواده از مواد است که برخی از آنها حتی شفاف نیستند.

مائورو گفت: انواع شیشه طبیعی و مصنوعی مختلف وجود دارد. بیشتر شیشه های روزمره چیزی است که به آن شیشه سیلیکات سودا آهکی می گویند که از ماسه، سنگ آهک و خاکستر سودا که با هم در دمای حدود 1500 درجه سانتیگراد ذوب شده اند ساخته شده است. اما انواع دیگری از شیشه نیز وجود دارد مانند پیرکس مقاوم در برابر حرارت یا شیشه های محکم و خم شونده گوریلا گلس که حاوی مواد شیمیایی دیگری هستند تا خواص ویژه ای به آن ها بدهد.

اگرچه انواع شیشه از نظر شیمیایی متفاوتند اما ساختار هر یک از مواد مشترکات زیادی دارد. این ساختار - چیدمان اتم ها و مولکول های درون ماده - است که باعث سردرگمی در مورد ساختار شیشه می شود که آیا جامد است یا مایع.

«جان پارکر» دانشمند مواد در مرکز تحقیقات شیشه دانشگاه شفیلد در انگلیس گفت: آنچه جامد را می سازد ثابت بودن اتم ها، در موقعیت خود است. از سوی دیگر، در یک مایع، اتم ها در همه جا هستند و می توانند به راحتی مرتب شده و چیدمان بگیرند.

معمولاً وقتی به یک جامد فکر می کنیم، در واقع یک ماده کریستالی به ذهن می رسد چیزی مانند نمک، که ساختار منظم و مرتبی دارد. در زیر نقطه ذوب، این ساختار کریستالی جامد، پایدارترین شکل است و بالاتر از نقطه ذوب، شکل مایع پایدارتر می شود. همه مواد می خواهند پایدارترین شکل خود را که به عنوان در حالت تعادل شناخته می شود، اتخاذ کنند. با این حال، شیشه غیرعادی است زیرا در این حالت پایدار وجود ندارد.

به گفته پارکر، شیشه از ذوب اجزای مختلف برای به دست آوردن مایعی بسیار چسبناک مانند شربت ساخته می شود که به راحتی جاری نمی شود. 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 آرایش‌های نامنظم، گیر می‌افتند. این ماده از نظر مکانیکی جامد است اما ساختاری بی نظم شبیه مایع دارد.

مائورو اظهار داشت: برای رسیدن به تعادل، شیشه باید به حالت مایع شل شود. اما در دمای اتاق، ذرات به قدری آهسته حرکت می کنند که این عملی نیست. این همان چیزی است که به آن تعادل فراپایدار می گویند. جامد به نظر می رسد زیرا زمانی که ما با آن در تعامل هستیم، در مقیاس زمانی بسیار کوتاه تر از رفتار آرام سازی به سمت مایع است.

این بدان معناست که اگرچه ممکن است تغییرات بسیار آهسته ای در ماده رخ دهد - که در مقیاس زمانی میلیاردها سال اندازه گیری می شود - شیشه بیشتر شبیه یک جامد است تا مایع.

پارکر گفت: از لحاظ عملی، می توانم شیشه را به عنوان یک جامد سفت و سخت که در هر مقیاس زمانی معقولی اندازه گیری می شود، تعریف می کنم.

حتی زمان بندی قدیمی ترین کلیساهای اروپا برای دیدن پنجره های شیشه ای که مانند مایع رفتار می کنند کافی نیست. در واقع، توضیح بسیار ساده‌تری برای شیشه‌های تاب‌دار پنجره وجود دارد، پارکر می‌گوید: برخی از شیشه‌ها در پایین‌ پنجره از بالا ضخیم‌تر هستند، زیرا 1000 سال پیش، نمی‌توانستند شیشه‌ای با ضخامت یکنواخت بسازند و شیشه به اجبار به سمت پایین جریان می یافته است.