Дивний матеріал: чи дійсно скло є рідиною і як ми можемо бачити крізь нього

Скло являє собою аморфний матеріал з цікавими і водночас дивними властивостями. Але як скло поводиться на атомному рівні? Чому ми можемо бачити крізь нього? І що таке насправді скло? Про це пише IFLScience.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Скло — це рідина чи тверде тіло?

Іноді в мережі можна зустріти твердження, що скло насправді є рідиною, а не твердим тілом. Але скло рухається настільки повільно, що не можна цього побачити. Зазвичай обґрунтуванням для такого твердження є те, що вітражі в старих церквах товщі внизу. Це пояснюється тим, що гравітація тягнула скло вниз протягом сотень років. Насправді скло має багато спільного з рідиною, але є й властивості твердих тіл. Тобто скло точно не є рідиною.

Існує багато видів скла, але найпростіше зосередитися на діоксиді кремнію, який є основним компонентом більшості стекол. Якщо діоксид кремнію достатньо нагріти, він розплавиться і перетвориться на рідину. Але якщо досить швидко охолодити діоксид кремнію, то на відміну від інших твердих тіл, він не утворює організованих кристалічних структур, які складаються з дрібних кристалічних структур, зібраних разом.

За словами Філіпа Гіббса з Каліфорнійського університету в Ріверсайді, США, у міру охолодження рідини її в'язкість збільшується, але це запобігає кристалізації. Зазвичай, коли рідину охолоджують до температури нижче точки замерзання, утворюються кристали, і вона стає твердою. Але іноді рідина може стати надто холодною, а тому перебуває в цьому ж стані за температури, нижчої за точку плавлення.

Вчений пояснює, що, якщо в'язкість рідини зростатиме в міру подальшого охолодження, вона може ніколи не створити кристалічних структур. В'язкість безперервно зростає і в кінцевому підсумку рідина перетворюється на аморфне тверде тіло. Хоча молекули мають безладне розташування, але матеріал може залишатися певною мірою твердим.

У цьому стані скло має властивості, які схожі на властивості рідини та твердих тіл. Але скло не тече як рідина.

За словами Джона Мауро з Університету штату Пенсильванія, США, протягом відносно коротких періодів часу скло має властивості твердого тіла. Але протягом дуже тривалих періодів часу через схожу на рідину структуру скла цей матеріал піддається процесу релаксації. Це безперервний, але надзвичайно повільний процес, під час якого атоми в склі повільно перебудовуються в більш стабільну структуру.

Аморфна структура скла дозволяє сонячному світлу проходити крізь нього без особливого розсіювання. Але це не пояснює, чому скло є прозорим.

Чому ми можемо бачити крізь скло?

Коли частинки світла, тобто фотони, потрапляють на твердий матеріал, то останній може поглинути частинки світла і світло не вийде з іншого боку або не відіб'ється. Але фотони також можуть відбиватися від твердих тіл, коли вони на мить поглинаються, а потім виходять назад.

У цих випадках, завдяки поглинанню, світло не проходить крізь матеріал. Але світло може проходити через певні матеріали без змін. Якщо фотони не мають достатньо високої енергії, щоб змусити електрони перейти у вищий енергетичний стан, частинки світла не поглинаються матеріалом, а проходять крізь нього.

У більшості матеріалів видимого світла достатньо, щоб змусити електрони перейти у вищий енергетичний стан, тому вони не є напівпрозорими. Але в склі проміжки між можливими енергетичними станами досить великі, щоб видиме світло не змусило електрони перейти на вищий енергетичний рівень.

У той час як скло пропускає видиме світло, ультрафіолетового світла достатньо, щоб змусити електрони перейти на новий енергетичний рівень. Тому багато з довжин хвиль світла не проходять крізь скло, що й надає склу деяких властивостей фільтрації ультрафіолетових променів.

Як уже писав Фокус, новий експеримент учених показав, що квантова фізика більш незвичайна, ніж передбачалося.

Також Фокус писав про те, що астронавт NASA, яка застрягла на орбіті,встановила новий рекорд у відкритому космосі. Суніта Вільямс тепер є рекордсменом за загальним часом перебування у відкритому космосі серед жінок.