Γυαλί: το άλυτο πρόβλημα της Φυσικής

Λένε πως τα βιτρό στις μεσαιωνικές εκκλησίες της Ευρώπης είναι πιο χοντρά στο κάτω μέρος τους, καθώς το γυαλί είναι ένα υγρό που κινείται πολύ αργά και δεν σταματά να ρέει προς τα κάτω κατά τη διάρκεια των αιώνων.

Στην πραγματικότητα, τα βιτρό είναι έτσι γιατί οι δημιουργοί τους δεν μπορούσαν να τα φτιάξουν επίπεδα σε όλα τα σημεία τους. Υπάρχει όμως μια δόση αλήθειας σ΄ αυτή τη θεωρία. Το γυαλί είναι πράγματι ένα στερεό που συμπεριφέρεται σαν υγρό. Βρίσκεται κάπου ανάμεσα στις δύο μορφές της ύλης.

Η διάταξη των ατόμων και των μορίων στο γυαλί δεν διαφέρει από αυτήν σε ένα υγρό. Πώς γίνεται όμως ένα υγρό να είναι τόσο σκληρό;

«Είναι το πιο χοντρό και το πιο κολλώδες υγρό, αλλά ταυτόχρονα και το πιο “ακατάστατο” και αδόμητο στερεό όσον αφορά τη διάταξη των μορίων του» λέει ο Πίτερ Χάροουελ, καθηγητής Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ.

Το 1995 ο νομπελίστας φυσικός Φίλιπ Άντερσον, από το Πρίνστον, είπε πως «το βαθύτερο και πιο ενδιαφέρον άλυτο πρόβλημα στη θεωρία της φυσικής στερεάς κατάστασης είναι η φύση του γυαλιού και η μετατροπή του από υγρό σε στερεό. Αυτή θα είναι ίσως η μεγάλη ανακάλυψη της επόμενης δεκαετίας».

Επιστημονική διαμάχη. Δεκατρία χρόνια έχουν περάσει και το πρόβλημα όχι μόνο παραμένει άλυτο, αλλά αποτελεί και αιτία μεγάλης διαμάχης στην επιστημονική κοινότητα.

Ο Πίτερ Γούλινς, χημικός στο Πανεπιστήμιο του Σαν Ντιέγκο, υποστηρίζει πως έλυσε το πρόβλημα πριν από 20 χρόνια αλλά οι συνάδελφοί του διαφωνούν.

«Ο κόσμος εκπλήσσεται που ακόμα δεν κατανοούμε τις αρχές του γυαλιού» λέει ο Ντέιβιντ Ράικμαν, χημικός στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια. «Δεν καταλαβαίνουμε όμως γιατί το γυαλί πρέπει να είναι στερεό και πώς σχηματίζεται».

Πριν από λίγα χρόνια, πειράματα και προσομοιώσεις στον υπολογιστή έδειξαν κάτι αναπάντεχο. Καθώς το χυτό γυαλί ψύχεται, τα μόρια δεν μειώνουν ταχύτητα σε συμφωνία μεταξύ τους. Κάποιες περιοχές στερεοποιούνται πρώτα, ενώ σε άλλες τα μόρια συνεχίζουν να κινούνται χωρίς σχέδιο σαν σε υγρό. Ακόμα πιο περίεργο θεωρείται το γεγονός πως από πλευράς εμφάνισης οι περιοχές δεν διαφέρουν μεταξύ τους.

Στο μεταξύ, η βελτίωση της τεχνολογίας και των υπολογιστικών μοντέλων έφεραν στο φως ακόμα περισσότερες θεωρίες. «Υπάρχουν περισσότερες θεωρίες για τη μεταβατική φάση του γυαλιού από τους θεωρητικούς που τις προτείνουν» λέει χαρακτηριστικά ο Ντέιβιντ Γουάιτζ, φυσικός στο Χάρβαρντ.

Η φύση του γυαλιού. Για τους θεωρητικούς, το γυαλί δεν είναι μόνο ένα τζάμι ή ένα βάζο φτιαγμένο από χαλαζία, ανθρακικό νάτριο ή οξείδιο του ασβεστίου. Είναι και οποιοδήποτε στερεό στο οποίο τα μόρια ανακατεύονται τυχαία χωρίς συγκεκριμένη διάταξη. Πολλά πλαστικά- όπως τα πολυανθρακικά- είναι γυαλί, όπως και πολλά κεραμικά.

Όταν κατανοήσουμε τη φύση του γυαλιού θα λύσουμε ένα παλιό πρόβλημα της Φυσικής. Λύση πιθανώς αντάξια ενός Νόμπελ. Η γνώση αυτή δεν θα οδηγήσει μόνο στη δημιουργία καλύτερου γυαλιού, αλλά και σε αποτελεσματικότερα φάρμακα. Αν μπορούσαν να δημιουργηθούν μέσα σε μία σταθερή γυάλινη δομή αντί για κρυσταλλική μορφή, κάποια φάρμακα θα μπορούσαν να χορηγηθούν από το στόμα αντί με ένεση.

Επιπλέον, τα εργαλεία και οι τεχνικές που εφαρμόζονται στο γυαλί θα μπορούσαν να βοηθήσουν σε άλλα προβλήματα της επιστήμης των υλικών, της Βιολογίας και άλλων τομέων, που εξετάζουν τις γενικές ιδιότητες που δημιουργούνται από ακατάστατες αλληλεπιδράσεις.

«Ένα γυαλί είναι ένα παράδειγμα, ίσως το απλούστερο παράδειγμα, του πραγματικά πολύπλοκου» λέει ο Χάροουελ.

Ακίνητα παγιδευμένα μόρια

ΣΤΑ ΥΓΡΑ, τα μόρια περιφέρονται στην τύχη. Όταν ψύχονται, ένα υγρό παγώνει, όπως το νερό που γίνεται πάγος ή δεν παγώνει και σχηματίζει το γυαλί. Όταν το υγρό ψύχεται και γίνεται ένα συμβατικό στερεό, περνά πρώτα από μία μεταβατική διαδικασία. Τα μόρια μπαίνουν στη σειρά δίπλα ή πάνω το ένα στο άλλο σχηματίζοντας ένα απλό, καθαρό κρυσταλλικό σχέδιο.

Όταν το υγρό γίνεται γυαλί δεν υπάρχει πουθενά αυτή η οργανωμένη δομή. Αντίθετα, τα μόρια κινούνται ολοένα και πιο αργά μέχρι που μένουν ακίνητα, παγιδευμένα σε μία κατάσταση ανάμεσα στο υγρό και το στερεό.

Η μεταβατική φάση του γυαλιού διαφέρει επίσης σε άλλα σημεία. Χρειάζεται ενέργεια, η λεγόμενη άδηλη θερμότητα, για να μεταφερθούν τα μόρια του νερού στην κατάσταση του πάγου. Κάτι που δεν συμβαίνει στον σχηματισμό του γυαλιού.

Εκτός αυτού, η μετάβαση του γυαλιού από υγρό σε στερεό δεν συμβαίνει σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία. Όσο πιο χαμηλή είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τόσο πιο αργά ψύχεται. Ακόμα και ο επιστημονικός ορισμός του γυαλιού είναι αυθαίρετος. Η τελική δομή του γυαλιού εξαρτάται επίσης από το πόσο αργά ψύχεται. Αντίθετα το νερό, είτε ψύχεται αργά είτε γρήγορα, κρυσταλλώνει στην ίδια δομή πάγου στους 0 βαθμούς Κελσίου.

Οι μεμβράνες θα μας δείξουν

ΟΙ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΕΣελπίζουν πως νέα πειράματα και προσομοιώσεις με υπολογιστές θα δώσουν καλύτερες εξηγήσεις για τη φύση του γυαλιού. Μοντέλα του Πίτερ Χάροουελ, χημικού στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ, προβλέπουν ποιες περιοχές του υγρού είναι πιθανό να στερεοποιηθούν πιο γρήγορα και ποιες να συνεχίσουν την κίνησή τους.

Ο Μαρκ Έντιγκερ, χημικός στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν, έχει βρει έναν τρόπο να φτιάχνει λεπτές γυάλινες μεμβράνες με την πιο στέρεα δομή ενός γυαλιού που έχει σχηματιστεί πριν από 10.000 χρόνια. Ελπίζει πως οι μεμβράνες θα μας δείξουν τι συμβαίνει όταν το γυαλί πλησιάζει την ιδανική κατάστασή του. «Όταν μπορέσουμε να πούμε τι δομή έχει ένα γυαλί θα έχουμε προοδεύσει. Κι ελπίζω πως η γνώση αυτή θα έχει αξία και πέρα από τον τομέα μας», τονίζει ο Χάροουελ.