Помню, как в детстве разбил мамину любимую вазу. Стоял над осколками и думал: «Ну что такого? Это же просто песок, который нагрели и остудили». Позже, уже взрослым, я понял — стекло гораздо хитрее, чем кажется. Это материал-обманщик, который притворяется твердым, оставаясь жидким в душе.
За годы работы с научными текстами я встречал множество загадок, но стекло — особый случай. Оно заставляет пересмотреть базовые представления о том, что такое твердое и жидкое. И чем больше я в это углублялся, тем яснее становилось: мы живем в окружении материала, который ведет двойную жизнь.
Когда атомы играют в замри.
Представьте танцпол в разгар вечеринки. Все двигаются хаотично, весело, без всякого порядка. А теперь вообразите, что музыка резко обрывается, но танцоры застывают прямо в движении — кто-то с поднятой рукой, кто-то в повороте. Примерно так рождается стекло.
При температуре около 1700°C песок превращается в яростно кипящую жидкость. Атомы кремния и кислорода носятся как угорелые, сталкиваются, разбегаются снова. Если дать этому расплаву остыть медленно, атомы успеют выстроиться в стройные ряды — получится кварц, классический кристалл.
Но стеклоделы поступают иначе. Они охлаждают расплав так быстро, что атомы не успевают договориться между собой. Вот только что они метались в жидком хаосе — и вдруг бац! Температура упала, движение замерло, а порядок так и не наступил.
Получается удивительная вещь: по структуре это жидкость, а по поведению — твердое тело. Ученые называют такое состояние аморфным. Я предпочитаю более поэтичное определение — замороженный хаос.
Средневековая детективная история.
Долгое время ходил красивый миф про старинные окна. Мол, в древних соборах нижняя часть стекол толще верхней — это стекло за века «стекло» вниз под действием гравитации. История захватывающая, но увы, неточная.
Средневековые мастера просто не умели делать идеально ровные листы. Толстый край ставили вниз для устойчивости — чистая практичность. Но миф прижился неспроста. Он интуитивно схватывал главную особенность стекла — его скрытую текучесть.
Дело в том, что стекло действительно течет. Только невообразимо медленно.
Наука засекла течение времени.
Современные исследования показали: стекло — это не застывшая навеки субстанция. Оно живет своей неторопливой жизнью.
Японские физики встроили в стекло радиоактивные атомы ксенона и следили за ними годами. Оказалось — атомы шевелятся! Ползут со скоростью несколько атомных диаметров за десятилетие. Для человеческого восприятия это ничто, а для понимания природы материала — революция.
Физик Петер Дебай еще в 1920-х предложил считать стекло сверхвязкой жидкостью. Если вязкость воды принять за единицу, то у стекла при комнатной температуре она в 10^20 раз больше. Это означает: теоретически стекло течет, но практически — за время существования Вселенной сдвинется на долю миллиметра.
Есть и другие доказательства. Стекло «помнит» историю своего изготовления. Молекулы внутри него застывают с разным внутренним напряжением, в зависимости от скорости охлаждения. Старые окна иногда становятся волнистыми не потому, что «стекли», а из-за многолетних микродеформаций, которые постепенно «размораживают» эту внутреннюю память материала.
Когда хаос работает на пользу.
Понимание двойной природы стекла привело к удивительным открытиям. Металлические стекла — расплавленный металл охлаждают со скоростью миллион градусов в секунду. Атомы не успевают выстроиться в кристалл, сохраняя аморфную структуру. Получается материал тверже стали, но упругий как пружина.
Закаленное стекло — результат контролируемого охлаждения, создающего внутренние напряжения. Оно в разы прочнее обычного, а при разрушении рассыпается на безопасные кусочки.