جامدی که کاملا جامد نیست!| معمای میراث کهن شیشه

خبرگزاری علم‌وفناوری آنا- هدا عربشاهی: اُبسیدیَن یا شیشه آتشفشانی حاصل فوران‌های گدازه‌ای است که ده‌ها میلیون سال پیش رخ‌داده‌اند و سپس ماگمای غنی از سیلیس سرد شده است. اما این نوع شیشه حتی تا امروز هم تغییرناپذیر و بسیار مقاوم باقی مانده‌ است. از دیدگاه فیزیک، شیشه ترکیبی با خواص مشخصه جامد (استحکام، سفتی) و مایع (ایزوتروپی و اختلال میکروسکوپی)، نوعی فسیل منجمد در نظر گرفته می‌شود که در حالت‌های ترمودینامیکی ناپایدار به دام افتاده است.

از نگین‌های آبی‌رنگ جواهرات مصری تا صفحه نمایشگر آیفون، کار روی شیشه همواره یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌هایی بوده است که از دیرباز رازش حفظ و به‌طور دوره‌ای به نوآوری‌های قابل توجهی منجر شده است.

بیشتر بخوانید

رازهای دانش- ۱۶؛

تناقض فرمی| اگر تنها نیستیم چرا «آنها» با «ما» تماس نمی‌گیرند؟

ناتقارنی در عالمی سراسر متقارن| چرا وجود داریم؟

معمای علیت معکوس/ اگر آینده بر گذشته تأثیر گذارد!

حالات ماده

همه ما در مدرسه آموخته‌ایم که سه حالت شناخته‌شده از ماده عبارت‌اند از: جامد، مایع، گاز. به حالت گاز می‌توان پلاسما را هم اضافه کرد که درواقع، از گازهای یونیزه‌شده تشکیل می‌شود. ماده‌ای با مولکول‌های یکسان می‌تواند بین این سه حالت جابه‌جا شود و با تغییر حالت، رفتارهای متفاوتی نشان دهد. این تفاوت در حرکت مولکول‌ها نهفته است، به‌طوری‌که با افزایش دما (یا فشار) مولکول‌ها پرانرژی‌تر می‌شوند. ازاین‌رو، ماده می‌تواند تبخیر و از مایع به گاز تبدیل شود، مانند آب جوش‌آمده در قوری که بخار آب تولید می‌کند. همچنین ماده می‌تواند بدون عبور از حالت مایع، مستقیم از جامد به گاز منتقل شود که به این حالت تصعید می‌گویند. تبدیل نفتالین جامد به گاز و تبدیل برف به بخار نمونه‌هایی از تصعید هستند.

اما این‌میان، مرحله‌ای از گذار و بینابین وجود دارد که در آن ماده، هم شبیه مایع و هم شبیه جامد است و به آن گذار شیشه‌ای می‌گویند. در این حالت گذار، ماده از بیرون، همانند جامد رفتار می‌کند اما از درون همچون مایعی بی‌نظم به‌نظر می‌رسد. باوجوداین، تا آنجا که به فیزیک مربوط می‌شود، ماده‌ای که در گذار شیشه‌ای اسیر شده جامد است.

مدت‌ها است که مطالعات مختلفی درباره ماهیت گذار شیشه‌ای انجام می‌شود، اما هنوز پاسخ‌های رضایت‌بخشی در این‌خصوص به‌دست نیامده است. به‌‌دیگرسخن، هنوز توضیح کاملی درباره فرآیندهایی که شیشه را به خواصی که ما می‌دانیم، می‌رسانند و در نهایت باعث می‌شوند که آن را به‌عنوان ماده‌ای جامد در نظر بگیریم، پیدا نشده است.

شیشه چیست؟

یکی از رایج‌ترین شیشه‌ها شیشه‌ پنجره است که از ترکیب سیلیس، سنگ آهک، سودا و شیشه بازیافتی ساخته می‌شود. ترکیب میکروسکوپی آن از ۷۰‌درصد دی اکسیدسیلیکون (SiO2) و ۳۰ درصد باقی‌مانده به‌طور مساوی از سایر اکسیدهای حاوی کلسیم و سدیم (CaO و Na2O) تشکیل شده است.

مولکول سیلیس از اشکال بلوری مختلف برخوردار است: کوارتز با درجه سختی ۷ که با نام عمومی بلور (کریستال) شناخته می‌شود، تری‌دیمیت با بلورهای کوچک پهن و کوتاه حدود ۴میلی‌متر و کریستوبالیت، ماده‌ای با گذار دمای بالا، ازجمله اشکال مختلف مولکول سیلیس به‌شمار می‌روند.

در فرایند تشکیل شیشه، ذوب‌شدن بلورها، خنک‌شدن سریع‌شان و رسیدن به نقطه انجماد می‌تواند به شکل‌گیری مایع سردشده نیمه‌پایداری منجر شود که با ادامه کاهش دما این مایع می‌تواند به شیشه تبدیل شود. صنعت امروزی سیلیکات‌ها از جهاتی مدیون فنیقی‌ها است، نویسنده رُمی، پلینی مِهتر (۲۳ تا ۷۹ میلادی) در کتاب معروفش باعنوان «تاریخ طبیعی» می‌نویسد که فنیقی‌ها با سوزاندن یک قالب سنگ نمک (کربنات سدیم) در کف شنی رودخانه، شیشه تولید می‌کردند.

امروزه برای تولید شیشه محلول از واکنش میان کوارتز و کربنات سدیم (Na2CO3) در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود که این شیشه کاربردهای بسیاری در صنعت و تصفیه آب دارد.

اما درمورد شیشه جامد، علاوه بر سیلیس، آنیدریدها (Be2O3، P2O5، As2O3) یا نمک‌ها یا مخلوطی از ترکیبات مختلف، پرمصرف‌ترین مواد بلوری هستند که در این نوع شیشه کاربرد دارند. سردشدن بدون بلورشدگی عموماً با تغییرات دمایی به اندازه کافی سریع، که برحسب کلوین‌در‌ثانیه اندازه‌گیری می‌شود، رخ می‌دهد.

از نظر کسانی که در کارگاه‌های شیشه‌سازی کار می‌کنند در تولید این محصول هیچ‌چیز مرموزی وجود ندارد. شیشه‌سازی، فرآیندی است که شیشه‌گران طی هزاران سال آن را اصلاح کرده‌اند. همان‌طورکه گفته شد رایج‌ترین و گسترده‌ترین شیشه‌ای که امروزه تولید می‌شود شیشه آهک سودا است که از سیلیس مشتق‌شده از ماسه و اکسیدهای کلسیم و سدیم به‌دست می‌آید. با کاهش مقدار این دو ماده آخر یعنی اکسید کلسیم و اکسید سدیم و افزودن تری‌اکسید بور، شیشه بوروسیلیکات تولید می‌شود که با نام تجاری پیرکس شناخته می‌شود و مقاومت بیشتری در برابر تغییرات شدید دمایی دارد و به همین دلیل برای پخت و پز یا در آزمایشگاه کاربرد دارد. مخلوط مواد لازم برای تولید شیشه، در کوره به دمایی بیش‌از ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد و مواد مذاب رشته‌ای و چکش‌خواری حاصل می‌شود که در برخی موارد ازطریق روش دمیدن شکل مورد نظر را به‌ خود می‌گیرند. سپس به محصول به‌دست‌آمده اجازه داده می‌شود تا خنک شود و- دست‌کم از نظر ظاهری- شکل جامد بگیرد.

گذار شیشه‌ای چگونه رخ می‌دهد؟

تاکنون مطالعات بسیاری برای علت تشکیل حالت گذار شیشه‌ای انجام شده است. یکی از موارد اخیر این مطالعات را گروهی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا برکلی در فروردین ۱۴۰۲ در نشریه تخصصی PNAS منتشر کردند و بر اساس شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های رایانه‌ای که پیشتر انجام شده بود، نظریه‌ای ارائه کردند که پیشنهاد می‌کند مولکول‌های شیشه به‌طور مداوم با حرکات بسیار موضعی از نو پیکربندی می‌شوند. این دانش‌وران، نظریه‌شان را در شرایط دو بعدی و با جامدات بلوری آزمایش کردند، اما معتقدند که می‌توانند آن را با شناسایی حالت گذاری که هنوز ناشناخته است و در تشکیل جامدات آمورف دخالت دارد، در مدلی سه‌بعدی هم اعمال کنند. آمورف به جامدی گفته می‌شود که اجزای تشکیل‌دهنده‌اش- اتم‌ها و مولکول‌ها- برخلاف مواد بلوری، نظم بلندبُرد ندارند یعنی اجزای دور از هم آنها با یکدیگر همبستگی نمی‌کنند و فقط از نظم کوتاه‌بُرد برخوردارند. برای‌مثال در شیشه آمورف، اطراف هر اتم سیلیسیوم، ۴ اتم اکسیژن قرار گرفته‌ و هر واحد SiO2 دارای نظم اتمی است اما در مقیاس بلند، واحدهای SiO2 به‌صورت منظم کنار یکدیگر قرار نگرفته‌اند و بنابراین، شیشه در این وضعیت، از نوع جامدات بی‌شکل است.

 همچنین مطالعه دیگری که در آلمان و ایتالیا انجام و در سال ۱۴۰۲ منتشر شد داده‌های مربوط به انبساط حرارتی و انتقال شیشه را در بیش از ۲۰۰ ماده در صد سال گذشته بررسی کرده است. این تجزیه‌وتحلیل به دانشمندان اجازه می‌دهد تا علاوه بر حرکت اتم‌ها که باید هنگام مطالعه جامدات آمورف ارزیابی شوند، متغیرهای دیگری را هم بررسی کنند. این پژوهشگران دریافتند که در سطح میکروسکوپی، اتم‌ها یا مولکول‌های این مواد به طور مستقل حرکت نمی‌کنند.