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

Скло є аморфним матеріалом з цікавими та 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.

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 цього не можна помітити. Зазвичай обґрунтуванням для такого твердження є те, що вітражі в старих церквах товстіші внизу. Це пояснюється тим, що гравітація тягла скло вниз протягом сотень років. Насправді у скла багато спільного з рідиною, але також є й властивості твердих тіл. Тобто скло точно не є рідиною.

Існує багато видів скла, але найзручніше зосередитися на діоксиді кремнію, який є основним компонентом більшості стекол. Якщо діоксид кремнію достатньо нагріти, він розплавиться і перетвориться на рідину. Але якщо діоксид кремнію охолодити достатньо швидко, 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 Ріверайді, США, під час охолодження рідини її в’язкість зростає, але це запобігає кристалізації. Зазвичай, коли рідину охолоджують до температури нижче точки замерзання, утворюються кристали, і вона стає твердою. Але іноді рідина може стати занадто холодною, і тому залишатися в цьому ж стані при температурі нижче точки плавлення.

Вчений пояснює, що якщо в’язкість рідини зростатиме під час подальшого охолодження, вона може ніколи не створити кристалічних структур. В’язкість безперервно зростає, і врешті-решт рідина перетворюється на аморфне тверде тіло. Хоча молекули мають безладне розташування, матеріал може залишатися в певній мірі твердим.

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

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

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

Чому ми можемо бачити крізь скло?

Коли частинки світла, тобто фотони, потрапляють на тверде тіло, останнє може поглинути частинки світла, і світло не вийде з іншого боку або не відобразиться. 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 в більш високий енергетичний стан, частинки світла не поглинаються матеріалом, а проходять крізь нього.

У більшості матеріалів видимого світла достатньо, щоб змусити електрони перейти в більш високий енергетичний стан, тому вони не є напівпрозорими. Але в скла 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 певні властивості фільтрації ультрафіолетових променів.