One micron length scale controls kinetic stability of low energy glasses

توجد المادة عادة في إحدى حالتين مألوفتين: الحالة الصلبة، حيث تكون الذرات محبوسة في مكانها، أو الحالة السائلة، حيث تتدفق بحرية. ولكن هناك حالة ثالثة محيرة تسمى الزجاج. عندما تبرد المادة السائلة بسرعة كبيرة تمنعها من التبلور، تتباطأ جزيئاتها حتى تتوقف، لكنها تظل في ترتيب فوضوي، تماماً مثل حشد من الناس تجمدوا في منتصف خطوتهم في شارع مزدحم. هذه الحالة ليست مستقرة حقاً؛ فهي سائل فائق التبريد عالق في نمط انتظار مؤقت، يحاول ببطء العثور على ترتيب أكثر راحة وأقل طاقة. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن سلوك هذه المواد محكوم بحركات جزيئية صغيرة على مقياس النانومتر، حيث تعيد مجموعات صغيرة من الجزيئات تنظيم نفسها في وقت واحد. إن فهم كيفية استرخاء هذه الزجاجات في النهاية لتصبح في حالة أكثر استقراراً أمر بالغ الأهمية، ليس فقط للفيزياء الأساسية، بل أيضاً للصناعات التي تعتمد على الاستقرار طويل الأمد للمواد غير البلورية (الأمورفية)، مثل الأدوية والإلكترونيات المتقدمة.

لقد اكتشف فريق من الباحثين من الولايات المتحدة وألمانيا الآن أن القواعد التي تحكم هذا الاسترخاء لا تتعلق فقط بالعناقيد الجزيئية الصغيرة. بدلاً من ذلك، وجدوا أنه بالنسبة لنوع معين من الزجاج عالي الاستقرار، فإن عملية التحول بأكملها يتم التحكم فيها بواسطة مسافة أكبر بكثير: وهي ميكرومتر واحد. وهذا أكبر بألف مرة من مقاييس النانومتر التي كان يُعتقد سابقاً أنها الحد الأقص️ لمدى هذا التأثير. ومن خلال دراسة أغشية رقيقة من عقار يسمى "إندوميتاسين" (indomethacin)، لاحظ العلماء أن الوقت الذي يستغرقه الزجاج للعودة إلى سائل متدفق يعتمد كلياً على سمك الغشاء، ولكن حتى نقطة معينة فقط. وبمجرد أن يصبح الغشاء أكثر سمكاً من ميكرومتر واحد، لا يعود السمك ذا أهمية. يكشف هذا التحول غير المتوقع أن الزجاج ليس كتلة موحدة من المادة، بل هو مشهد طبيعي تتخلله بقع مخفية ونادرة تبدأ عندها عملية التحول، وتكون متباعدة بمسافة تقارب الميكرومتر الواحد.

ولرؤية هذه البنية المخفية، صنع الباحثون أغشية من الإندوميتاسين بسماكات تتراوح من 75 نانومتراً إلى 30 ميكرومتراً. وقد صنعوا هذه الأغشية عن طريق ترسيب المادة كبخار على سطح شديد البرودة، وهي تقنية تجمع الجزيئات بشكل أكثر إحكاماً وكفاءة من طرق التبريد القياسية. وتنتج هذه العملية زجاجاً "منخفض الطاقة"، وهو زجاج مستقر للغاية ويقع في عمق مشهد طاقته الكامنة، بعيداً جداً عن الحالة المعتادة للزجاج التقليدي. ثم وضع الباحثون هذه الأغشية على مستشعرات دقيقة للغاية قادرة على قيال السعة الحرارية بدقة فائقة. وقاموا بتسخين العينات إلى درجة حرارة أعلى قليلاً من النقطة التي يتحول عندها الزجاج عادةً إلى سائل، وراقبوها لمعرفة الوقت الذي ستستغرقه لتحول الغشاء بأكمله.

كانت النتائج مذهلة. فبالنسبة للأغشية الأكثر رقة، تلك التي يقل سمكها عن 600 نانومتر، زاد الوقت المطلوب للتحول طردياً مع زيادة السمك. وقد أشار هذا السلوك إلى آلية بسيطة: بدأ التغيير عند السطح المعرض للهواء وتحرك بثبات نحو الداخل، مثل موجة تغسل الشاطئ. ومع زيادة سمك الغشاء، كان على الموجة أن تقطع مسافة أبعد، مما يستغرق وقتاً أطول للوصول إلى القاع. حدث هذا النمو الناجم عن السطح بسرعة ثابتة، حيث تحرك بمعدل 0.04 نانومتر كل ثانية. ومع ذلك، عندما زاد سمك الأغشية عن 600 نانومتر، تغيرت العلاقة؛ حيث بدأ وقت التحول في الاستقرار، وبالنسبة للأغشية التي يتراوح سمكها بين 1.4 و30 ميكرومتراً، أصبح الوقت اللازم للتحول مستقلاً تماماً عن سمك الغشاء.

يشير هذا التحول في السلوك إلى سيطرة آلية مختلفة في العينات الأكثر سمكاً. في هذه الأغشية الأكبر، لا ينتظر التحول وصول موجة السطح إلى الداخل تماماً، بل يبدأ التغيير في وقت واحد في مواقع متعددة في أعماق مادة الكتلة. وقد حسب الباحثون أن نقاط البداية هذه، أو "مواقع البدء"، تفصل بينها مسافة تقارب الميكرومتر الواحد. عندما يكون الغشاء أرق من هذه المسافة، تصل موجة السطح إلى القاع قبل أن تتمكن أي بقع داخلية من بدء العملية. ولكن بمجرد أن يتجاوز سمك الغشاء ميكرومتراً واحداً، تبدأ هذه البقع الداخلية في النمو داخل الزجاج المحيط بها، مما يخلق جيوباً من السائل تتوسع وتندمج في النهاية. ولأن هذه البقع متباعدة جداً، فإن الوقت الذي تستغرقه لملء الحجم بالكامل يعتمد على سرعة نموها، وليس على سمك الغشاء.

وتأتي الأدلة على هذا التباعد الداخلي من عدة زوايا. لاحظ الباحثون أن حركية التحول في أكثر الأغشية سمكاً اتبعت نمطاً رياضياً يُستخدم غالباً لوصف كيفية تشكل البلورات، مما يشير إلى أن مناطق السائل تنمو من نقاط مبعثرة ومتميزة. علاوة على ذلك، كانت تجارب أخرى على مواد مماثلة قد لمحت بالفعل إلى وجود عدم انتظام في بنية الزجاج على مقياس أكبر من 500 نانومتر. إن اتساق مسافة الميكرومتر الواحد عبر درجات الحرارة وسماكات الأغشية المختلفة يشير إلى أن هذا ميزة هيكلية أساسية لهذه الأنواع من الزجاج عالي الاستقرار، وليس مجرد حدوث عشوائي. وهذا يعني أنه حتى في الزجاج الذي يبدو متجانساً تماماً، توجد مناطق أقل استقراراً بقليل ومتباعدة بمسافة كبيرة، تنتظر الظروف المناسبة لإطلاق التغيير.

يتحدى هذا الاكتشاف الرؤية السائدة منذ فترة طويلة بأن سلوك الزجاج محكوم حصرياً بالعمليات على مقياس النانومتر. وبينما تحدث الحركة الأولية للجزيئات على مقياس ضئيل، فإن الاستقرار العام والتحول لهذه الزجاجات الخاصة يحدده هيكل أكبر بكثير بمقياس الميكرومتر. ويقترح الباحثون أن مواقع البدء هذه قد تكون عيوباً صغيرة في التعبئة الجزيئية، أو ربما مناطق تكون فيها الجزيئات أكثر قدرة على الحركة قليلاً من جيرانها. ورغم أنهم لا يستطيعون تحديد ماهية هذه المواقع بدقة بعد، إلا أن القياس الواضح لتباعدها يوفر طريقة جديدة للتفكير في البنية الداخلية للزجاج. وهو ما يشير إلى أن استقرار الزجاج ليس مجرد مسألة مدى إحكام تعبئة جزيئاته، بل يتعلق أيضاً بمدى توزيع نقاط الضعف هذه.

تمتد تداعيات هذا الاكتشاف إلى ما وراء العقار المحدد الذي تمت دراسته. ويعتقد الباحثون أن طول المقياس البالغ ميكرومتراً واحداً قد يكون سمة عامة للزجاجات عالية الاستقرار، بغض النظر عن كيفية صنعها. وإذا كان هذا صحيحاً، فهذا يعني أن متانة وفترة صلاحية العديد من المواد غير البلورية يمكن أن تتأثر بالمسافة بين مواقع البدء المخفية هذه. وبالنسبة للمواد الأكثر استقراراً من تلك التي تم اختبارها هنا، يمكن أن تكون هذه المسافة أكبر، لتصل ربما إلى عشرة ميكرومترات أو أكثر. إن هذه الدراسة تفتح نافذة جديدة على الجغرافيا المخفية للزجاج، مظهرة أنه حتى في مادة تبدو متماثلة في كل مكان، يوجد هيكل واسع النطاق ينتظر الاكتشاف.