Стекло – это жидкость или твердое тело?

Есть что-то странное в витражах средневековых зданий: они обычно толще внизу, чем вверху. Многие полагают, что это потому, что стекло на самом деле представляет собой жидкость, которая стекала вниз на протяжении веков. Другие утверждают, что стекло не течет, потому что оно твердое — или, может быть, аморфное твердое вещество или переохлажденная жидкость.

Так что же такое стекло на самом деле — твердое тело или жидкость, или что-то среднее?

«Это не настоящая жидкость и не настоящее твердое тело — оно обладает свойствами обоих, но это особое состояние материи, — рассказывает Джон Мауро, ученый-материаловед из Пенсильванского университета. - Техническое определение заключается в том, что стекло — это неравновесное, некристаллическое состояние вещества, которое в течение короткого времени кажется твердым, но постоянно релаксирует в жидкое состояние».

Это может показаться сложным, но рассмотрение каждого компонента этого объяснения по отдельности показывает, как стекло находится между твердой и жидкой формой.

Во-первых, важно помнить, что стекло — это не просто прозрачный материал, который мы используем для окон. Скорее, это семейство материалов. 

«Существуют всевозможные виды натурального и искусственного стекла, — говорит Мауро. - большинство повседневного стекла — это так называемое натриево-известково-силикатное стекло, которое изготавливается из песка, известняка и кальцинированной соды, расплавленных вместе при температуре около 1500 градусов по Цельсию. Но есть и другие типы, такие как термостойкий пирекс или прочное и сгибаемое стекло Gorilla Glass, содержащее другие химические вещества, придающие ему особые свойства».

Хотя типы стекла химически различны, структуры отдельных материалов имеют много общего. Именно эта структура — расположение атомов и молекул внутри материала — вызывает путаницу в отношении структуры стекла и того, является ли оно твердым или жидким.

«В твердом теле атомы зафиксированы в материале, — поясняет Джон Паркер, ученый-материаловед из Центра исследований стекла Университета Шеффилда в Великобритании. - В жидкости атомы расположены повсюду и могут легко перестраиваться».

Обычно, когда мы думаем о твердом теле, мы на самом деле имеем в виду кристаллический материал — что-то вроде соли, имеющее правильную и упорядоченную структуру. Ниже температуры плавления эта твердая кристаллическая структура является наиболее стабильной формой, а выше температуры плавления наиболее стабильной формой становится жидкая. Все материалы стремятся принять наиболее стабильную форму, которая называется состоянием равновесия. Однако стекло необычно, потому что оно не существует в таком стабильном состоянии.

По словам Паркера, стекло изготавливается путем плавления различных компонентов с получением очень вязкой жидкости, например, сиропа, которая с трудом течет. «Затем он быстро охлаждается, но из-за своей вязкости атомы не могут легко перемещаться и перестраиваться в более упорядоченную твердую структуру, и они попадают в беспорядочные структуры, — объяснил он. - Материал механически твердый, но имеет неупорядоченную структуру, похожую на жидкость».

Чтобы достичь равновесия, стеклу необходимо «расслабиться» и вернуться в жидкое состояние. Но при комнатной температуре частицы движутся настолько медленно, что это просто непрактично. «Это то, что называется метастабильным равновесием, — говорит Мауро. - Стекло кажется твердым, потому что, когда мы с ним взаимодействуем, это происходит в масштабе времени, который намного короче, чем процесс релаксации обратно в жидкость».

По сути, это означает, что, хотя в материале могут происходить невероятно медленные изменения (измеряемые в миллиарды лет), стекло ведет себя скорее как твердое тело, чем как жидкость.

«В практическом смысле я бы определил стекло как твердое тело, измеренное в любой разумной временной шкале», — заключает Паркер.

Даже временные рамки старейших соборов Европы недостаточны, чтобы увидеть, как стеклянные витражи ведут себя как жидкость. Действительно, есть гораздо более простое объяснение искривленному оконному стеклу, говорит Паркер: «Некоторые стекла внизу толще, чем вверху, потому что 1000 лет назад они не могли сделать стекло одинаковой толщины».