اندازه‌گیری کرنش در یک صفحه شیشه‌ای بزرگ، «واهلش^۱» ساختار شیشه را در نقطه‌ای دور از ناحیه گذار شیشه نشان می‌دهد، هم‌چنین جزئیات توپولوژی شبکه اتمی را مشخص می‌کند.

با وجود پیشرفت‌های صورت گرفته در علوم، هنوز دانش کاملی در زمینه چگونگی فرآیند تبدیل مایع به شیشه در دست نیست. در حقیقت، برخلاف اکثر گذارهای فاز (تبدیل فاز‌های مختلف مواد به یکدیگر)، در فرآیند گذار مایع به شیشه (در دمای گذار T_g) شمار زیادی از ویژگی‌های (قابل اندازه‌گیری) فیزیکی و شیمیایی شیشه به آرامی تغییر می‌کنند. با این حال در فرآیند گذار مایع به شیشه علت افزایش قابل توجه واکشسانی در مایع ( به میزان ۱۰^۱۲ پاسکال-ثانیه در دمای گذار T_g) به روشنی قابل درک نیست. همچنین دلیل افزایش زمان لازم جهت واهلش سامانه مورد نظر، ، به سوی تعادل گرمایی به روشنی قابل درک نیست (شکل ۱ را ببینید).

با کاهش دما، واکشسانی مایع فرا سرد شده به شکل نمایی زیاد می‌شود و به همین ترتیب زمان واهلش سامانه به سوی تعادل افزایش پیدا می‌کند (منحنی سیاه رنگ). ولچ و همکارانش نشان داده‌اند که در یک صفحه شیشه‌ای خاص که رفتار زمان واهلش در یک حالت شیشه‌ای غیر تعادلی در دمای گذار شیشه تغییر می‌کند؛ این زمان آرامش در دمای اتاق چیزی در حدود 19000 سال است (منحنی قرمز). این اثرات به خاطر ساختار شبکه است.

با این حال زمان واهلش سامانه در دمای T_g قابل اندازه‌گیری است، چرا که این زمان از مرتبه مقیاس زمانی یک آزمایش است. اما با کاهش دمای سامانه به دمایی پایین‌تر از T_g، افزایش مدت زمان واهلش سامانه را تا چندین مرتبه خواهیم داشت؛ در نتیجه اندازه‌گیری زمان واهلش شیشه در دمای پایین‌تر از دمای گذارش یک چالش بزرگ است. بنابراین اکثر مطالعات (در زمینه اندازه‌گیری زمان بیان شده) روی مایع‌های فرا سرد شده تمرکز دارد، به نحوی که زمان واهلش سیستم مورد نظر کمتر از، و یا از مرتبه، مقیاس زمانی آزمایشگاهی است.

روگر ولچ (Roger Welch) و همکارانش از مؤسسه تحقیقاتی Corning (نیویورک) در مجله Physical Review Letters از وجود یکی از نشانه‌های واهلش شیشه در دمای پایین، دمای اتاق، گزارش می‌دهند. این گروه، با تلاشی یک ساله یا بیشتر، این نشانه‌ها را با بررسی کرنش موجود در یک صفحه شیشه‌ای بزرگ (شیشه Gorilla؛ شیشه استفاده شده در صفحه نمایش موبایل‌ها) با ابعاد 1050 در 1050 در 0.7 میلی‌متر ضخامت بدست آورده‌اند. هنگامی که مایعی فرا سرد شده به شیشه تبدیل می‌شود آنگاه کرنش‌ها در ماده در اصطلاح «منجمد می‌شوند». علاوه بر این، ویژگی جالب‌تر این است که شیشه در دما‌های خیلی پایین‌تر، 0.3=T/T_g ، یا در حدود 600 درجه سانتی‌گراد زیر دمای گذار شیشه، آرام می‌شود. چنین ویژگی‌ای، در تضاد با این درک است که زمان واهلش در این دماها بقدری طولانی است که امکان وجود هر تحول قابل مشاهده برای کمیت‌های فیزیکی وجود داشته باشد. در حقیقت دماهای تقریبی معمول که در آن‌ها آزمایش‌های زمان‌سنجی مدت واهلش انجام می‌شود [2] در حدود ، 0.8=T/ T_g است.

با در دست داشتن مقیاس‌های زمانی مربوط به واهلش، شیشه‌ها سامانه‌هایی فاقد تعادل ترمودینامیکی‌اند و ساختار اتمی به هم ریخته‌ی آن‌ها از کریستال شدن تعدی می‌کند. دلیل این مطلب این است که اتم‌ها به شکل خیلی کاتوره‌ای در شبکه قرار گرفته‌اند و این وضعیت مورد دلخواه نمی‌باشد؛ حداقل با توجه به یک شبکه‌ کریستالی منظم. با این همه، نویسندگان مقاله ذکر شده موفق به اندازه‌گیری کرنش بر حسب زمان واهلش شیشه شدند و نتیجه گرفتند که کرنش از قانون کولراوش (Kohlrausch) به شکل تبعیت می‌کند؛ با 0.43=.

محققان شیشه به این مسئله باور دارند که برای زمان‌های به اندازه کافی طولانی تنها یک پارامتر مناسب است؛ بدون هیچ مفهوم فیزیکی. به هر حال مقدار اندازه‌گیری شده برای شیشه صفحه‌ای بزرگ با مقدار پیش‌بینی شده آن توسط فیلیپس (Phillips) تحت عنوان عددی «جادویی» [3] تطابق ندارد. با کمینه شدن کرنش‌های درونی، افت و خیزهای چگالی نیز کمینه‌ می‌شود، و در نتیجه آن‌ها، «واهلش» توسط نیروهای کوتاه برد حاصل می‌شود. چنین نیروهایی در شیشه‌های شبکه‌ای وجود دارد؛ از قبیل شیشه Corning ساخت مؤسسه Gorilla (شیشه استفاده شده در این پژوهش) که از یک شبکه بنیادی تتراهدرال آلومینوسیلیکات ساخته شده است. گفتنی است که کاتیون‌های آلکالی این شبکه بنیادی را مختل می‌کند. در حضور افت و خیزهای چگالی نانو مقیاس (که در سیلیکای خالص وجود دارد)، واهلش از یک رفتار به شکل نمایی ساده پیروی می‌کند [4]. افزایش اتم‌های آلکالی به نیروهای کولونی بلند برد منجر می‌شود. این نیروهای بلند برد با برهمکنش‌های کوتاه برد مقابله می‌کنند که در نتیجه آن ماده به دو روش ممکن می‌تواند آرام شود.

در چنین موردی فیلیپس نشان داد [3] که به سادگی به بعد شبکه از طریق رابطه وابسته است؛ برای D=۳ این مقدار 5/3 خواهد شد. علاوه بر این هنگامی که تنها یکی از روشهای واهلش (از دو روش ممکن) عملی باشد، می‌توان برای بعد D یک مقدار مؤثر 2/3 لحاظ کرد که با این حساب، برای مقدار 7/3 را خواهیم داشت. بنابراین به طور آشکار «توپولوژی» شبکه شیشه بخش بزرگی از واهلش را کنترل می‌کند.

نتایج ولچ و همکارانش [1] به همراه مطالب بالا، نگاه محققان به گذار شیشه را عوض می‌کند. علاوه بر این‌ها گزارش اخیری نشان داده است [5] که در دمای پایین‌تر از T_g تغییر ویژگی‌های ارتعاشی شیشه بر اثر دما، با تغییرات واکشسانی و زمان واهلش مایع فرا سرد شده‌ی متناظر با آن هم‌بسته است. این دقیقا مطابق با رویه‌ای است که ولچ و همکارانش به ماهیت واهلش شیشه از روی ویژگی‌های شبکه‌ای موجود در دل آن پی بردند. بنابراین این نتایج نشان می‌دهند که ساختارهای موجود در دمای پایین (در مایع فرا سرد شده) بخش‌های بزرگی از واهلش را در دماهای بالاتر کنترل می‌کنند.

علاوه‌براین، مطالعات ترکیباتی گسترده روی شیشه‌ها [6] نشان داده است که ارتباط عمیقی بین توپولوژی شبکه شیشه‌ها و ویژگی‌های مربوط به آن‌ها و کاهش واکشسانی در نزدیکی نقطه گذار شیشه وجود دارد؛ که منجر به یک دیدگاه واحد نسبت به مسئله گذار شیشه می شود، که اکنون از دمای زیر T_g به دست آمده است. این جنبه‌ها هم‌چنین توسط بعضی از نویسندگان مرجع [1]استفاده می‌شود تا شکل قانون‌مند دقیق‌تری برای واهلش مایع و جامد مدل‌سازی کنند[7] .

علاوه‌براین ناهنجاری‌های موجود در واهلش و نمای کولراوش که توسط گروه ما مشاهده شد [8]، به نظر می‌رسد نهایتا به گذارهای کشسان (انعطاف‌پذیر تا صلب) بدست آمده بوسیله تغییرات توپولوژیکی در شیشه‌های متناظر مربوط است.

۱-Relaxation - تعابیر گوناگونی دارد؛ فرآیندی که در آن سیستم فیزیکی به حالت پایدار می‌رسد، یا کاهش مقاومت کشسانی موجود در یک محیط کشسان (شیشه)، و نیز رهایی از تنش‌های موجود در ماده در نظر گرفته می‌شود. از این لغت به عنوان آسایش سامانه فیزیکی نیز تعبیر می‌شود.

منبع:

http://physics.aps.org/articles/v6/72

مرجع:

[1] R. C. Welch, J. R. Smith, M. Potuzak, X. Guo, B. F. Bowden, T. J. Kiczenski, D. C. Allan, E. A. King, A. J. Ellison, and J. C. Mauro, “Dynamics of Glass Relaxation at Room Temperature,” Phys. Rev. Lett. 110, 265901 (2013).

[2] V. S. Zotev, G. F. Rodriguez, G. G. Kenning, R. Orbach, E. Vincent, and J. Hammann, “Role of Initial Conditions in Spin- Glass Aging Experiments,” Phys. Rev. B 67, 184422 (2003).

[3] J. C. Phillips, “Stretched Exponential Relaxation in Molecular and Electronic Glasses,” Rep. Prog. Phys. 59, 1133 (1996).

[4] M. Vannoni, A. Sordini, and G. Molesini, “Relaxation Time and Viscosity of Fused Silica Glass at Room Temperature,” Eur. Phys. J. E 34, 92 (2011).

[5] T. Scopigno, G. Ruocco, F. Sette, and G. Monaco, “Is the Fragility of a Liquid Embedded in the Properties of Its Glass?” Science 302, 849 (2003).

[6] P. Chen, P. Boolchand, and D. G. Georgeiv, “Long Term Aging of Selenide Glasses: Evidence of sub-Tg Endotherms and pre-Tg Exotherms,” J. Phys. Cond. Matt. 22, 065104 (2010).

[7] J. C. Mauro, Y. Z. Yue, A. J. Ellison, P. K. Gupta, and D. C. Allan, “Viscosity of Glass-Forming Liquids,” Proc. Natl. Acad. Sci.U.S.A. 106, 19780 (2009).

[8] D. Novita, P. Boolchand, M. Malki, and M. Micoulaut, “Fast- Ion Conduction and Flexibility of Glassy Networks,” Phys. Rev. Lett. 98, 195501 (2007); M. Micoulaut, M. Malki, D. I. Novita, and P. Boolchand, “Fast-Ion Conduction and Flexibility and Rigidity of Solid Electrolyte Glasses,” Phys. Rev. B 80, 184205 (2009).