{"id":5971,"date":"2018-03-08T18:20:16","date_gmt":"2018-03-08T17:20:16","guid":{"rendered":"http:\/\/naukowy.blog.polityka.pl\/?p=5971"},"modified":"2018-03-08T19:33:12","modified_gmt":"2018-03-08T18:33:12","slug":"szklany-mit-i-niemit","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/2018\/03\/08\/szklany-mit-i-niemit\/","title":{"rendered":"Szklany mit i niemit"},"content":{"rendered":"

\"\"W dawnych czasach podr\u0119czniki m\u00f3wi\u0142y, \u017ce szk\u0142o jest pod wzgl\u0119dem stanu skupienia czym\u015b dziwnym. Na zewn\u0105trz wygl\u0105da jak cia\u0142o sta\u0142e, ale wewn\u0105trz jest bardziej podobne do cieczy.
\n
\nSzk\u0142o – czy og\u00f3lniej: szkliwa (obsydian, bursztyn) – by\u0142o okre\u015blane jako przech\u0142odzona ciecz. Jako przyk\u0142ad przywo\u0142ywano szyby \u015bredniowiecznych witra\u017cy, kt\u00f3re po kilkuset latach mia\u0142y sp\u0142ywa\u0107 i by\u0107 grubsze u podstawy ni\u017c na g\u00f3rze. Gdy moja edukacja szkolna w zakresie og\u00f3lnym si\u0119 sko\u0144czy\u0142a, to wszystko zosta\u0142o zakwestionowane.<\/p>\n

Sam fakt, \u017ce szk\u0142o ma struktur\u0119 niekrystaliczn\u0105, nie jest podwa\u017cany. (Te wyroby szklane, kt\u00f3re w handlu s\u0105 nazywane kryszta\u0142em, te\u017c wcale kryszta\u0142ami w sensie struktury materii nie s\u0105). Jednocze\u015bnie w kwestii stan\u00f3w skupienia fizyka i chemia posz\u0142y od czas\u00f3w klasycznych na tyle do przodu, \u017ce namno\u017cy\u0142o si\u0119 plazm, faz nadciek\u0142ych, ciek\u0142ych kryszta\u0142\u00f3w itp. byt\u00f3w, wi\u0119c niekt\u00f3rzy chc\u0105 to z powrotem ograniczy\u0107. St\u0105d tendencja, by nie uto\u017csamia\u0107 definicji cia\u0142a sta\u0142ego ze struktur\u0105 krystaliczn\u0105, i dopuszcza si\u0119 cia\u0142a sta\u0142e amorficzne. Wtedy szk\u0142o znowu mo\u017cna uzna\u0107 za cia\u0142o sta\u0142e, tylko w niekrystalicznej odmianie. Ponadto ciecz przech\u0142odzon\u0105 definiuje si\u0119 teraz jako stan mi\u0119dzy zwyk\u0142\u0105 ciecz\u0105 a szk\u0142em w\u0142a\u015bnie.<\/p>\n

Swoj\u0105 drog\u0105 definiowanie szk\u0142a jako przech\u0142odzonej cieczy to pocz\u0105tek XX wieku, podczas gdy definicje bardziej sk\u0142aniaj\u0105ce si\u0119 ku amorficznym cia\u0142om sta\u0142ym by\u0142y wysuwane ju\u017c w takim czasie, \u017ce spokojnie mog\u0142y dominowa\u0107 w moich podr\u0119cznikach. Jednak wiedza do podr\u0119cznik\u00f3w szkolnych sp\u0142ywa powoli, jak ciecz o du\u017cej lepko\u015bci. W\u015br\u00f3d tych definicji jedna nawet przyj\u0119\u0142a kryterium liczbowe zwi\u0105zane z czasem relaksacji materia\u0142u.<\/p>\n

Co z tym sp\u0142ywaniem szk\u0142a? Przyk\u0142ad maj\u0105cy pokazywa\u0107 zaskakuj\u0105c\u0105 natur\u0119 ods\u0142oni\u0119t\u0105 przez nauk\u0119, ch\u0119tnie przedstawiany w tekstach popularnonaukowych, okaza\u0142 si\u0119 tylko mitem. (O podobnym micie, dotycz\u0105cym rzekomego przesuni\u0119cia przecinka w wynikach zawarto\u015bci \u017celaza w szpinaku, pisa\u0142em kiedy indziej<\/a>). Lepko\u015b\u0107 szk\u0142a jest tak du\u017ca, \u017ce owszem, jego struktura jest mniej stabilna ni\u017c kryszta\u0142\u00f3w, ale wci\u0105\u017c nie pozwala na obserwowalne zmiany wywo\u0142ane grawitacj\u0105.<\/p>\n

Wed\u0142ug niekt\u00f3rych symulacji, \u017ceby zauwa\u017cy\u0107 taki efekt, jaki wyst\u0119puje w \u015bredniowiecznych witra\u017cach, trzeba by czeka\u0107 d\u0142u\u017cej, ni\u017c wynosi wiek Wszech\u015bwiata. Wyja\u015bnienie obserwowanych nier\u00f3wno\u015bci w grubo\u015bci szybek jest inne. Techniki odlewania szyb w \u015bredniowieczu nie pozwala\u0142y na masow\u0105 produkcj\u0119 r\u00f3wnych, cienkich p\u0142ytek. Gdy szklarz dobiera\u0142 szybki do umieszczenia w ramach, ustawia\u0142 grubsze fragmenty jako podstawy. Szk\u0142o wi\u0119c nie sp\u0142yn\u0119\u0142o, zamieniaj\u0105c szybk\u0119 z graniastos\u0142upa w \u015bci\u0119ty ostros\u0142up – szybki od samego pocz\u0105tku by\u0142y na dole grubsze ni\u017c na g\u00f3rze.<\/p>\n

Sprawa jednak si\u0119 na tym nie zako\u0144czy\u0142a. Specjali\u015bci od szk\u0142a przyjrzeli si\u0119 publikacjom obalaj\u0105cym powy\u017cszy mit i znale\u017ali w nich s\u0142abe punkty. Obliczenia nie do ko\u0144ca dotyczy\u0142y lepko\u015bci jako takiej albo zak\u0142ada\u0142y wyidealizowane warunki. Wreszcie obliczenia te wykonano dla wsp\u00f3\u0142czesnego szk\u0142a, kt\u00f3re zawiera wi\u0119cej kwarcu (czy og\u00f3lnie tlenku krzemu) i tlenku sodu ni\u017c szk\u0142o wytwarzane w \u015bredniowieczu, a za to mniej tlenku potasu i tlenku magnezu (magnezji). Co do samej natury szk\u0142a te niuanse chemiczne nie maj\u0105 znaczenia, ale dla dok\u0142adnej lepko\u015bci ju\u017c tak.<\/p>\n

Gdy uwzgl\u0119dni si\u0119 sk\u0142ad szk\u0142a dok\u0142adnie taki jak ze \u015bredniowiecznych katedr czy opactw, jego lepko\u015b\u0107 w temperaturze pokojowej wynosi 1024,6<\/sup> Pa\u00b7s (w puazach, czyli typowych jednostkach lepko\u015bci, to dziesi\u0119\u0107 razy wi\u0119cej). W por\u00f3wnaniu z poprzednio publikowanymi wynikami ta warto\u015b\u0107 jest o 16 rz\u0119d\u00f3w wielko\u015bci mniejsza. Czyli szk\u0142o \u015bredniowieczne jest znacznie bardziej p\u0142ynne, ni\u017c niedawno s\u0105dzono.<\/p>\n

A wi\u0119c powr\u00f3t do pogl\u0105d\u00f3w sprzed kilkudziesi\u0119ciu lat? Niezupe\u0142nie. Nowo obliczona lepko\u015b\u0107 jest znacz\u0105co mniejsza, ale nadal za du\u017ca, by w ci\u0105gu kilkuset lat materia\u0142 o takiej charakterystyce sp\u0142yn\u0105\u0142 w spos\u00f3b zauwa\u017calny ludzkim okiem. Mit pozostaje mitem.<\/p>\n

Niemniej to, \u017ce wsp\u00f3\u0142czesne szk\u0142o sp\u0142ywa\u0142oby bardzo, bardzo d\u0142ugo, a \u015bredniowieczne tylko bardzo d\u0142ugo, to jedno, ale sam fakt ostatecznego sp\u0142yni\u0119cia to drugie. Dop\u00f3ki nie zmieni\u0105 si\u0119 warunki (np. kto\u015b walnie m\u0142otkiem albo wrzuci do pieca hutniczego), porz\u0105dne cia\u0142o sta\u0142e zachowa sw\u00f3j kszta\u0142t i prawie niezmienion\u0105 struktur\u0119 krystaliczn\u0105 nawet po niesko\u0144czenie d\u0142ugim czasie (abstrahuj\u0105c od realizmu tego za\u0142o\u017cenia w ewoluuj\u0105cym kosmosie i stabilno\u015bci pierwiastk\u00f3w). Amorficzne cia\u0142o sta\u0142e po bardzo d\u0142ugim czasie mo\u017ce ulec krystalizacji, ale jego kszta\u0142t r\u00f3wnie\u017c pozostanie sta\u0142y. Tymczasem szk\u0142o b\u0119dzie si\u0119, co prawda powoli, rozp\u0142ywa\u0107. Szk\u0142o okienne nie rozp\u0142ynie si\u0119 w skali historycznej, ale w skali geologicznej ju\u017c mo\u017ce. A niekt\u00f3re szk\u0142a organiczne rozp\u0142ywaj\u0105 si\u0119 po paru godzinach pod samym dzia\u0142aniem grawitacji. W pewnych warunkach szk\u0142a mog\u0105 te\u017c ulec krystalizacji. Podobnie zachowuj\u0105 si\u0119 przech\u0142odzone ciecze.<\/p>\n

Mimo wszystko szk\u0142o i przech\u0142odzone ciecze to nie to samo. Niedawno\u00a0Edgar D. Zanotto i John C. Mauro (ten drugi by\u0142 zaanga\u017cowany w obliczenia dotycz\u0105ce \u015bredniowiecznego szk\u0142a) zaproponowali kolejn\u0105 definicj\u0119 szk\u0142a – jako stanu ani sta\u0142ego, ani p\u0142ynnego, podobnego cieczom zamarzni\u0119tym. Podkre\u015blaj\u0105 pochodzenie szk\u0142a z przech\u0142odzonej cieczy i zachowanie jej struktury. Prostsza wersja tej definicji brzmi mniej wi\u0119cej:<\/p>\n

Szk\u0142o to niestabilny (nonequilibrium<\/em>), niekrystaliczny stan materii, kt\u00f3ry w kr\u00f3tkiej skali przypomina cia\u0142o sta\u0142e, ale ci\u0105gle rozp\u0142ywa si\u0119 (relaxes<\/em>) ku stanowi p\u0142ynnemu.<\/p><\/blockquote>\n

Rozszerzonej definicji wol\u0119 nie t\u0142umaczy\u0107, bo nie b\u0119d\u0105c specjalist\u0105, mog\u0119 wi\u0119cej namiesza\u0107, ni\u017c wyja\u015bni\u0107. Brzmi ona:<\/p>\n

Glass is a nonequilibrium, non-crystalline condensed state of matter that exhibits a glass transition. The structure of glasses is similar to that of their parent supercooled liquids (SCL), and they spontaneously relax toward the SCL state. Their ultimate fate, in the limit of infinite time, is to crystallize.<\/p><\/blockquote>\n

Zatem pewne ko\u0142o si\u0119 zatoczy\u0142o. Tak jak uczono mnie kilkadziesi\u0105t lat temu, a co odkr\u0119cano jeszcze niedawno, szk\u0142o nie jest po prostu dziwnym cia\u0142em sta\u0142ym, ale czym\u015b wykazuj\u0105cym cechy i cia\u0142a sta\u0142ego, i cieczy na tyle, \u017ce nie mo\u017cna go przypisa\u0107 do \u017cadnej z tych grup.<\/p>\n

fot. Piotr Panek,<\/em>\u00a0licencja\u00a0CC BY-SA 4.0<\/a><\/em><\/p>\n

\"ResearchBlogging.org\"<\/a><\/span><\/p>\n