Ученые создали прототип "идеального стекла"

Американским ученым удалось создать кристалл аморфного металлического стекла из сплава алюминия и церия, что является большим шагом на пути к созданию "идеального стекла", говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Металлическое стекло было изобретено в середине XX века. Оно изготавливается из специального сплава металлов, в отличие от обычного силикатного стекла, которое состоит из оксида кремния и окислов кальция, натрия и некоторых других металлов. Этот материал устойчив к коррозии и износу, легко поддается плавке и отливке, и к тому же не такой хрупкий, как обычное стекло.

Подобные сплавы обладают аморфной структурой - так называемой структурой "ближнего порядка", в отличие от традиционных сплавов металлов, которые образуются из упорядоченных микрокристаллов - структур "дальнего порядка". Кроме того, ученые находят свидетельства того, что металлические стекла состоят из небольших однородных структур "среднего" порядка. В них атомы не только образуют упорядоченные группы с соседними атомами, как в аморфном состоянии материи, но и формируют более крупные домены.

Ученые и промышленники давно пытаются разработать стекло, которое было бы однородно по своему составу, обладало лучшими свойствами современных видов стекол, и не имело таких недостатков, как хрупкость, износ, не идеальная прозрачность. В соответствии с современными представлениями, "идеальное стекло" содержит структуры "дальнего порядка".

Исследователи пытались моделировать поведение такого стекла в экспериментах с несколькими стеклоподобными соединениями - такими, как вода, оксид кремния и цеолит. Созданные модели обнаружили существование структур ближнего и среднего порядка, но состояния "идеального стекла" достичь так и не удалось.

Группа ученых под руководством Хо-Квона Мао (Ho-Kwang Mao) из Института Карнеги в Вашингтоне (США) исследовала физические свойства металлического стекла из сплава алюминия и церия. Они обнаружили, что это вещество переходит из аморфного в кристаллическое состояние при давлении, превышающем атмосферное в 250 тысяч раз.

Такой кристалл имеет форму гранецентрированного куба (аналогичную форму имеет кристалл алмаза), и в определенном сечении напоминает звезду Давида, а по форме похож на коробку, набитую мячиками для настольного тенниса.

Примечательно, что переход из аморфного в кристаллическое состояние происходит только при достижении отметки в 250 килопаскаль (1 паскаль равен давлению земной атмосферы), и кристалл не теряет своей формы при уменьшении давления до атмосферного.

Как пишут ученые, столь высокое давление требуется для того, чтобы преодолеть разницу между размером и электропотенциалом атомов церия и алюминия, которая мешает образованию кристалла при "нормальных" условиях. Кристаллические структуры, образующиеся при высоких температурах, оказываются неустойчивыми при ее понижении и переходят в состояние аморфного металлического стекла. Однако при высоком давлении распределение электронов в атомах церия меняется, что позволяет кристаллу сохранять устойчивость при комнатной температуре и атмосферном давлении.

"Это потрясающее открытие показало, что алюминиево-цериевое стекло может стать базой для разработки формулы "идеального стекла". Кроме того, такой же переход может существовать и для других видов металлического стекла", - заключает Мао.