Стекло обладает уникальными свойствами, но является ли оно твердым или жидким веществом? А может оно относится к отдельной категории?
Загадка природы стекла занимала ученые умы на протяжении многих веков. Большинство из нас понимают его в повседневной жизни как твердый материал. Но что если это не совсем, а может и совсем не так?
Интересно, а вы знаете, об одной странной особенности стеклянных витражей средневековых соборов и зданий? Внизу они толще, чем наверху! Некоторые полагают, что это происходит из-за того, что стекло так сказать "течет" под собственной тяжестью в течение столетий. То есть попросту как вязкая жидкость. Другие же утверждают, что стекло не может этого делать, потому что оно твердое. Так что же такое стекло на самом деле?
Современная наука говорит нам следующее. Стекло – это не твердое тело, но и не жидкость. Оно представляет собой некоторое уникальное состояние. Сочетает в себе свойства обоих. То есть стекло, это так называемое аморфное твердое тело.
Технически, стекло — это неравновесное, некристаллическое состояние вещества, которое кажется твердым в течение определённого периода времени и непрерывно стремится стать жидкостью.
Неравновесное состояние:
Это когда атомы находятся в нестабильном состоянии, не имеют времени упорядочиться.
Некристаллическое состояние:
У атомов нет четкого, повторяющегося расположения, как например у кристалла.
Стремится в сторону жидкого состояния:
Стекло медленно, но верно пытается принять структуру, которая больше свойственна жидкостям.
Существуют разные виды стекол, как природных, так и искусственных. Большинство искусственных — это натриево-кальциевые силикатные стекла. Они изготавливаются из песка, известняка и кальцинированной соды. При температуре около 1500 градусов по Цельсию компоненты расплавляются и превращаются в вязкую массу. Но есть и другие виды, такие как термостойкие или гибкие стекла. Эти в свою очередь содержат особые химикаты, придающие им уникальные свойства.
Получившуюся после расплава похожую на сироп массу быстро охлаждают. Но тут возникает проблема. Атомы не могут легко перемещаться, чтобы перестроится в упорядоченную структуру. Они попадают в так называемую "ловушку беспорядочных расположений". То есть являясь по сути механически твердым, материал имеет структуру жидкости.
Чтобы достичь равновесия, стеклу нужно так сказать «расслабиться», принять жидкое состояние. Но при комнатной температуре это просто не может произойти. Это называется метастабильным равновесием. Мы считаем стекло твердым потому, что взаимодействуем с ним в короткий промежуток времени. Который короче, чем необходимо для превращения материала обратно в жидкость.
По сути это означает, что хотя в материале и протекают медленные изменения, возможно измеряемые миллионами лет, стекло ведет себя скорее как твердое тело, а не как жидкость.