AZ 
Simulyasiyalar kristal kimi entropiyaya malik “ideal şüşə”ə gedən yolu göstərir
İnqrid Fadelli , Phys.org tərəfindən
Sadie Harley tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib
Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin
Kontaktların sayına görə rənglənmiş eyni hissəciklər ansamblına malik ideal qablaşdırma (solda) və qeyri-ideal qablaşdırma (sağda). Müəllif: Bolton-Lum və başqaları.
Gündəlik həyatda rastlaşdığımız şüşə növləri, məsələn, pəncərə şüşəsi və ya smartfon ekranları, nizamsız bərk cisimlərdir. Bu o deməkdir ki, onlar bərk cisimlərdəki kimi yerində kilidlənmiş, lakin mayedəki kimi təsadüfi düzülmüş hissəciklərdən ibarətdir.
Təxminən bir əsr əvvəl, o dövrdə Prinston Universitetində kimya professoru olan Valter Kauzman, kristal entropiyasına malik amorf bir sistemin, sözdə ideal şüşənin mümkün mövcudluğu ilə qarşılaşmışdı. Bu, hissəciklərin hələ də təsadüfi şəkildə düzüldüyü, lakin hissəciklərin məkanı o qədər səmərəli şəkildə doldurduğu bir şüşədir ki, ənənəvi şüşənin çoxsaylı nizamsız düzülüşlərindən fərqli olaraq, yalnız bir mümkün düzülüş mövcuddur.
Kauzmanın nəzəri təklifləri bir çox digər fizikləri bu mükəmməl tarazlaşdırılmış şüşə ideyasını araşdırmağa ruhlandırdı. Əvvəlki tədqiqatlar bu qeyri-müəyyən vəziyyətə ənənəvi soyutma prosesləri ilə nail olmaq mümkün olmadığını göstərirdi.
Oregon Universiteti, Pensilvaniya Universiteti və Sirakuza Universitetinin tədqiqatçıları ideal bir şüşənin soyutma tələb etməyən başqa yollarla da yaradıla biləcəyini göstərən simulyasiyalar apardılar. Onların Physical Review Letters jurnalında dərc olunmuş məqaləsi onilliklər boyu davam edən bu fiziki sirrin həllinə töhfə verə bilər.
“Tarazlaşdırılmış şüşə (ideal) konsepsiyası onilliklərdir mövcuddur”, – məqalənin baş müəllifi Erik Korvin Phys.org-a bildirib.
“1948-ci ildə Kauzman bilirdi ki, maye nə qədər çox soyudulursa, entropiya bir o qədər aşağı olacaq. O, super soyudulmuş mayenin eyni materialdan olan kristalla eyni entropiyaya malik olduğu bir nöqtənin olduğunu anladı. Bu nöqtəyə çatmaq üçün fərqli zaman şkalası lazım olardı (yəni, sonsuz müddət gözləmək lazım gələrdi), amma biz iddia edərdik ki, buna baxmayaraq, o, mövcud olmalıdır.”
İdeal şüşə paradoksunun həlli
1948-ci ildə nəşr olunmuş orijinal əsərində Kauzmann ideal şüşə vəziyyətinə çatmağın aşkar bir paradoksa səbəb olduğu qənaətinə gəldi, çünki nəticədə yaranan sistem kristalla eyni entropiyaya malik maye olacaqdı.
Beləliklə, yaranan qeyri-adi maye halı həm amorf (yəni, aydın şəkildə müəyyən edilmiş bir quruluş olmadan), həm də yüksək nizamlı olardı, çünki bu, entropiyanın kristalın entropiyasına bərabər olması üçün zəruri olardı. Kauzman bu paradoksdan istifadə edərək tam tarazlaşdırılmış və ya ideal bir şüşə ehtimalını rədd etdi.
Korvin dedi: “Biz belə bir vəziyyətin heç də paradoks olmadığını göstərməklə bir qərara gəldiyimizə inanırıq; həqiqətən də biz onu qura bilərik”.
“Biz göstərdik ki, bu strukturlara sadəcə gözləməklə nail olmaq mümkün deyil, lakin onlar yenə də mövcuddur. Məkan nizamı olmayan bir strukturun (yəni amorf bir strukturun) daha mücərrəd mənada (yəni sıfır konfiqurasiya entropiyası) hələ də yüksək nizamlı ola bilməsi böyük bir sürprizdir.”
Tədqiqatçılar tərəfindən simulyasiya edilən ideal şüşə, demək olar ki, əsas kristalının mexaniki xüsusiyyətləri ilə eynidir. Bu, onun fərqləndirici xüsusiyyətinin fəza düzülüşü deyil, entropiyası olduğunu göstərir.
Korvin izah etdi: “Maraqlıdır ki, bu ikisini bir-birindən ayırmaq olar. Əksər insanlar bunun bir-biri ilə sıx bağlı və ayrılmaz olduğunu iddia edərdilər.”
Əvvəlcə Korvin və həmkarları sadəcə 3D sistemlərində qeyri-adi dərəcədə sabit və güclü şüşə halları yaratmağa çalışırdılar, eyni zamanda onların əsas fizikasına yeni işıq salırdılar. Onlar 3D-də ultrastabil şüşələr yaratmaq üsullarının 2D-də ideal şüşənin axtarışında istifadə edilə biləcəyini anladılar.
Korvin izah etdi: “Biz başa düşdük ki, bu metodlar 2D-yə tətbiq edildikdə, ideal sistemləri asanlıqla qura bilmək kimi möhtəşəm bir şey tapırsınız”.
“Möhkəm bir şüşə hazırlamaq üçün onu son dərəcə yavaş soyumağa və çox uzun müddət “tarazlaşmağa” qoymalısınız. Təbiətdə bu cür nümunələrə çox köhnə kəhrəbadan hazırlanmış şüşə şəklində rast gəlmək olar və ya ekzotik mexanizmlərdən istifadə edərək bu cür “ultra sabit” şüşələrdən son dərəcə nazik təbəqələr istehsal etmək olar. Alternativ olaraq, tikinti prosesini sürətləndirmək üçün qeyri-fiziki fəndlərdən istifadə edərək belə bir şüşənin əmələ gəlməsini simulyasiya etmək olar.”
Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .
Komandanın simulyasiyaları
Tədqiqatlarının bir hissəsi olaraq, tədqiqatçılar yumşaq hissəciklərin sıx şəkildə yerləşdiyi 2D sistemləri simulyasiya etdilər. Simulyasiyalar apararkən, onlar sadəcə hissəcikləri silkələməkdən başqa müxtəlif dəyişənləri də dəyişdirə bildilər. Məsələn, onlar hissəcikləri böyüdüb kiçildib, bu da onların bir-birinə daha sıx yerləşməsinə və daha kompakt olmasına imkan verdi.
Korvin dedi: “Mexaniki sabitliyə nail olmaq üçün hissəciklər sistemində neçə təmasın olması lazım olduğunu hesablamaq üçün maraqlı bir sayma arqumenti var”.
“Hər 2D hissəciyin 2 sərbəstlik dərəcəsi olduğu üçün (yəni sola-sağa və yuxarı-aşağı hərəkət edə bildiyindən), onu yerində saxlamaq üçün orta hesabla iki məhdudiyyətə ehtiyacınız olacaq. Bu məhdudiyyətlər qonşularla təmas şəklində olur. Hər bir təmas bir cüt qonşu arasında paylaşıldığı üçün hər bir hissəciyi yerində saxlamaq üçün orta hesabla 2*2=4 təmasa ehtiyacınız olacaq.”
“Bu, adətən polidispers sistemlərinin disk qablaşdırmalarında olur (yəni, sadəcə bir dəstə sent, sent, on sent və dörddə bir sentlik pulu bir yerə yığıb sonra kontaktları saysanız, orta hesabla hər hissəcik üçün təxminən 4 ədəd tapacaqsınız, baxmayaraq ki, bəzi sikkələrdə yalnız üç kontakt, digərlərində isə beş, altı və ya yeddi kontakt olur).”
Tədqiqatçılar hissəciklərin ölçüsünü (yəni radiusunu) kiçiltməklə və ya böyütməklə hissəciklərin daha sıx yerləşdiyi 2D sistemləri simulyasiya edə bildilər. Bu, orta hesabla hər hissəcik üçün 2 əlavə təmasla məhdudlaşdırılmalı olan əlavə bir sərbəstlik dərəcəsi təqdim edir.
“Beləliklə, mexaniki sabitliyə nail olmaq üçün hər diskdə (yəni hissəciklərdə) orta hesabla 6 kontakta ehtiyacımız olacaq”, – Korvin bildirib.
“Bu, təəccüblü dərəcədə sehrli bir rəqəmdir, çünki bu, həm də Eulerin nəticəsinə görə 2D formatında dairənin qablaşdırılması üçün disk başına ola biləcək maksimum orta kontakt sayıdır (“Euler Xarakteristikası” bizə deyir ki, müstəvini tamamilə kafelləşdirən 2D formatında çoxbucaqlıların hər hansı bir kafelləşdirilməsinin də hər hissəcik üçün orta hesabla tam 6 tərəfi olmalıdır, hətta fərdi çoxbucaqlıların istənilən sayda tərəfi ola bilsə belə).”
“Bu o deməkdir ki, təmas şəbəkəsi mükəmməl şəkildə üçbucaqlanıb və buna görə də, hissəcikləri hərəkət etdirməklə daha sıx bir şey yaratmaq mümkün olmadığını bir baxışdan görə bilərsiniz.”
Hər bir hissəciyin 3-dən başlayaraq istənilən sayda təması ola bilsə də, orta hesabla qonşularla təmasda olanların sayı tam olaraq 6-dır. Hər bir hissəcik, aralarında boşluq olmadan bütün qonşularına toxunaraq “üçbucaqlı qablaşdırma” adlanan bir quruluş əmələ gətirir. Monodispers (yəni bütün disklər eyni ölçüdədir) hissəciklərin mükəmməl bir kristalı üçbucaqlı qablaşdırmanın bir nümunəsidir.
Korvin dedi: “Bu o deməkdir ki, hər bir hissəcik artıq ‘lokal olaraq optimal’ olduğundan, kristaldakı əşyaları hərəkət etdirərək vəziyyəti yaxşılaşdıra bilməzsiniz”.
“Eyni şey bizim qablaşdırmalarımızda da doğrudur, fərq ondadır ki, bizimkilər müxtəlif ölçülü hissəciklərdən ibarət olduğundan, üçbucaqlı qablaşdırmanın heç bir kristal düzülüşü yoxdur. Bu üçbucaqlı qablaşdırmaların qurulmasında kiçik bir məqam var və onlar kağızın çox hissəsini tutur, lakin müəyyən mənada sadəcə kiçik bir düzəlişdir.”
Komanda simulyasiya sistemlərindəki bütün hissəciklərin radiuslarının yellənməsinə icazə verdikdə və onları bir-birinə daha yaxşı uyğunlaşdırmaq üçün tənzimlədikdə belə, hissəciklər arasında həmişə kiçik boşluqlar qalırdı. Bu, daha güclü və bir az daha yaxşı konfiqurasiyaların mümkün olduğunu göstərirdi.
Korvin bildirib ki, “Bunlar, məsələn, hissəciklərin radiuslarını tənzimləyərkən bir neçə əlavə məhdudiyyət tətbiq etməli olduğumuz üçün yaranıb ki, hamısının sıfır ölçüyə qədər kiçilməsinin və ya hər hansı birinin mənfi radius götürməsinin qarşısını alaq”.
“Riyaziyyat dünyasından əldə edilən nəticədən, ‘dairəvi qablaşdırma teoremi’ adlanan nəticədən istifadə edərək, bu kiçik boşluqların hər birini sistematik şəkildə bağlaya və disklərin mükəmməl üçbucaqlı qablaşdırılmasına nail ola bildik.”
Uzun müddətdir davam edən fiziki tapmacanın həllinə doğru
Nəticə etibarilə, bu son tədqiqatın əsas məqsədi “ideal” konfiqurasiyaların mümkün mövcudluğunu araşdırmaq idi. Komanda göstərdi ki, ideal şüşə probleminə fərqli bir perspektivdən yanaşmaq onun gizli sirlərinə yeni bir işıq sala bilər.
“Eynəklər tarazlıqsız sistemin ən vacib nümunəsidir. Nə qədər gözləməyinizin əhəmiyyəti yoxdur; onlar heç vaxt tarazlaşmırlar”, – Korvin dedi.
“Amma təbiət üzərində böyük bir üstünlüyümüz var: fırıldaq edə bilərik. Zərrəciklərlə qeyri-fiziki yollarla oynayaraq bir şüşəni tarazlaşdıra bildik . Bu ideal vəziyyətlərin mövcud olması bizə ən azı iki ölçüdə şüşə keçidinin təbiətinin, ən azı qismən dinamik olduğunu göstərir. Şüşələr tarazlaşa bilmir, çünki bu mümkün deyil, tarazlığa gedən yollar təbiət tərəfindən əlçatmazdır.”
İdeal şüşə ən qədim həll olunmamış fiziki problemlərdən biridir. Hələ həll olunmasa da və həlli çox güman ki, bir müddət çəksə də, Korvin və həmkarlarının işi onun əsas təbiəti haqqında yeni konkret ipucları təqdim edir.
“Kauzmann bir paradoks kəşf etdiyinə inanırdı”, – Korvin dedi. “Necə ola bilər ki, nizamsız bir sistemin (ideal şüşənin) entropiyası nizamlı bir sistemdən (kristaldan) daha aşağıdır? Məlum olur ki, bu, heç də paradoks deyil. Bu, reallıqdır.”
Bu tədqiqatın nəticələri artıq ideal şüşə və digər ideal konfiqurasiyalara yönəlmiş daha çox tədqiqata ilham verir. Məsələn, bəzi komandalar müəlliflər tərəfindən simulyasiya edilmiş sistemləri uyğunlaşdırmağa və ya öz tədqiqatlarında araşdırmağa başlayıblar.
Korvin əlavə etdi: “Bu sistemlərin xüsusiyyətləri maraqlı və qəribədir. Onlar kristallar və ya adi şüşələr kimi tam olaraq davranmırlar. Biz yalnız onların xüsusiyyətlərinə gəldikdə səthi araşdırdıq. Növbəti addımımız, ideal şüşə üçün entropiyanın təzyiq (və ya sıxlıq) funksiyası kimi ətraflı ölçülməsini aparmaq və bunun ənənəvi olaraq hazırlanmış şüşələrdən necə fərqləndiyini anlamaqdır.”
Uzunmüddətli perspektivdə Korvin və həmkarları sferik hissəciklərin məkanı mümkün qədər səmərəli və sıx şəkildə doldurmasına imkan verən 3D ideal eynəkləri və kürə qablaşdırmalarını da həyata keçirməyə və simulyasiya etməyə ümid edirlər. Son tədqiqatlarında istifadə edilən metodları 3D sistemlərinə tətbiq etmək mümkün olmadığı üçün onlar indi 3D-də tətbiq oluna biləcək alternativ yanaşmalar müəyyən etməyə çalışırlar.
Müəllifimiz İnqrid Fadelli tərəfindən sizin üçün yazılmış, Sadie Harley tərəfindən redaktə edilmiş və Robert Egan tərəfindən faktlar yoxlanılmış və nəzərdən keçirilmişdir — bu məqalə diqqətli insan əməyinin nəticəsidir. Müstəqil elmi jurnalistikanı yaşatmaq üçün sizin kimi oxuculara güvənirik. Bu reportaj sizin üçün vacibdirsə, xahiş edirik ianə etməyi düşünün (xüsusilə aylıq). Təşəkkür olaraq reklamsız hesab əldə edəcəksiniz .
Nəşr detalları
Viola M. Bolton-Lum və digərləri, İki Ölçülü İdeal Şüşə və İdeal Disk Qablaşdırması, Fiziki İcmal Məktubları (2026). DOI: 10.1103/vldy-r77w .
Jurnal məlumatları: Fiziki icmal məktubları
Əsas anlayışlar
Dənəvər qablaşdırma2 ölçülü sistemlərKristal sistemlərNizamsız sistemlərTarazlıqsız sistemlər
© 2026 Science X Network
