С помощью компьютерного моделирования физики показали, как и почему стекло становится твердым при охлаждении. Оказалось, что при превращении переохлажденной жидкости в аморфное твердое тело в материале возникает обширная разветвленная сеть частиц, на которые действует нескомпенсированная сила со стороны соседей. Это приводит к возникновению дальнодействующих корреляций в поле механических напряжений внутри стекла.

Именно такие сети и делают стекло твердым, несмотря на его аморфную структуру, пишутhttps://www.nature.com/articles/s41467–020–18663–7 ученые в Nature Communications.

В структуре стекол, в отличие от структуры кристаллов, дальнего порядка нет. Это аморфные системы — положение и ориентация соседних элементов (например тетраэдров SiO4 в случае силикатного стекла) в них жестко связаны, но при увеличении расстояния между элементами эта связь полностью теряется. В кристаллах именно система жестких химических связей обеспечивает твердость и не дает им разрушаться, а что служит заменой кристаллической структуре в аморфных телах и делает твердыми их, до сих пор до конца не понятно.

В 2018 году французский физик Эрик Дежюли предложил теоретическое объяснение твердости стекол при температуре абсолютного нуля. Его теория связывает напряженное состояние в аморфном твердом материале в отсутствие внешней нагрузки и температурных флуктуаций с размерностью пространства и показывает, что, несмотря на отсутствие упорядоченной структуры, в аморфном материале есть дальнодействующие корреляции в поле внутренних напряжений. Для любых аморфных твердых тел корреляционная функция изменяется по степенному закону 1/rd для d-мерного пространства.

Однако, несмотря на то, что эта теория была подтверждена и с помощью эксперимента, и с помощью компьютерного моделирования, строгого объяснения твердости аморфных тел при ненулевой температуре она не дает.

Чтобы объяснить возникновение твердости у стекол при температуре выше нуля, физики из Японии, Китая и Индии под руководством Хадзимэ Танаки (Hajime Tanaka) из Токийского университета смоделировали на компьютере процесс перехода переохлажденной жидкости в стеклообразное состояние при охлаждении ниже температуры стеклования.