科學家們最近創建了第一個理想玻璃的計算機模型，這是一種物理學家自20世紀中葉以來一直在尋找的理論材料。這項突破可能幫助研究人員更好地理解無序材料的行為，並潛在指導設計更強大且多用途的工業材料。這項工作的負責人是俄勒岡大學的物理學家 Eric Corwin。透過先進的計算建模，他的團隊建立了一種結構，使分子以可能的最緊密和穩定的方式排列，同時保持無定形狀態，這意味著它們缺乏晶體的有序模式。
玻璃的特性非常特殊，儘管其分子隨機排列，但它仍表現得像固體。這種令人困惑的行為長期以來引發了關於沒有規則分子結構的材料如何仍然保持機械穩定的問題。Corwin指出，從分子層面來看，玻璃與晶體相比，顯得無序。他表示，若從分子層面觀察玻璃，會發現分子以無定形狀排列，彼此之間緊密接觸，但沒有任何結構。
物理學家們早已懷疑理想玻璃狀態可能存在。這一想法最早由普林斯頓化學家 Walter Kauzmann 在1948年提出，他理論認為，將玻璃冷卻到足夠低的溫度，最終會產生一種完全穩定的無定形結構，分子以最緊密的方式堆積。然而，這種狀態在自然界中從未被觀察到，這使得科學家們無法找到真實的例子進行研究。Corwin的團隊決定通過數學建模來解決這一問題，而不是等待自然界的出現。
為了構建最好的結構，研究人員從簡化系統開始，將分子表示為圓盤。他們的靈感來自於二維晶體的結構，其中每個圓盤被六個相鄰圓盤包圍，並以重複的蜂窩狀模式排列。然而，團隊發展出一種方法，既保持圓盤的緊密堆積，又去除了定義晶體的重複結構。
這樣的結果產生了一種完全無序的配置，但在機械性能上卻表現得像晶體。根據研究人員的說法，這一結構代表了該類型系統的最密集排列。團隊通過測試模擬材料對壓力、彎曲和熔化的反應來確認其行為。這些測試顯示，該模型展現了與晶體材料相當的機械穩定性，儘管缺乏其有序結構。Corwin表示，我們的結構在機械上表現得與晶體完全相同，儘管它是完全無定形的。
理解這一狀態可能幫助研究人員更好地理解玻璃轉變，即液體如何變成堅硬的玻璃而不形成晶體。這項工作還可能對先進材料如金屬玻璃產生影響，金屬玻璃結合了金屬的強度和玻璃狀結構的靈活性。金屬玻璃以其強度和抗變形能力而聞名，但由於必須從液態迅速冷卻到固態，因此製造起來非常困難。Corwin指出，如果能更好地理解玻璃轉變，並了解什麼使合金在形成金屬玻璃時更好或更差，那麼我們就能設計出可以更慢冷卻的合金。
研究人員計劃將他們的工作擴展到三維系統，以探索理想玻璃結構。這些研究結果已發佈在《物理評論快報》期刊上。
