شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که چرا شیشه‌هایی که با تبخیر نهشته می‌شوند، پایدارتر از شیشه‌های معمولی هستند که برای هزاران سال از عمر آن‌‌ها گذشته است.

شیشه‌های معمولی که با سردسازی سریعِ یک مایع ساخته می‌شوند ممکن است هزاران سال زمان ببرند تا در ساختار پایدار خود جای بگیرند. اما شیشه‌هایی که با نهشت تبخیری مولکول‌ها بر روی یک سطح تولید می‌شوند، درست پس از تولید می‌توانند به پایداری برسند؛ ویژگی مفیدی که برای قطعات با فناوری بالا مثل اپتیک تلسکوپ‌‌ها یا فیبرهای نوری کاربرد دارد. با این حال پژوهش‌گران منشا میکروسکوپی این پایداری را درک نمی‌کنند. اکنون شبیه‌سازی‌هایی که توسط لودیویچ برسی‌یر (Ludovic Berthier ) از دانشگاه مونپلیه (Montpellier) در فرانسه و همکارانش انجام یافته این فوق‌پایداری را به نفوذ کارآمد مولکول‌ها در طول فرآیند نهشتن مرتبط کرده است. این یافته‌‌ها می‌تواند به محققان در بهینه سازی طرح‌های نهشت تبخیری کمک کند.

شبیه‌سازی این فرآیند که در آن یک شیشه تشکیل می‌شود و به پایداری می‌رسد کار چالش برانگیزی است. چون دینامیک ذراتِ شیشه بایستی در گستره‌ی وسیعی از مقیاس‌های فضایی‌زمانی توصیف شوند. به این منظور برسی‌یر و همکارانش رهیافت محاسباتی را که اخیراً توسعه‌داده‌اند، بکار گرفته‌اند. اولاً آن‌‌ها از یک الگوریتم استفاده کرده‌اند تا لایه‌ی نازکی از شیشه را شبیه آن‌چه در نهشت تبخیری تولید می‌شوند، «ایجاد کنند». سپس تعیین کرده‌اند که آیا این لایه‌ی نهشت تبخیریِ شبیه‌سازی‌شده در حالت تعادل پایا قرار دارد یا نه. آن‌ها این کار را با استفاده از الگوریتم مونته کارلو انجام داده‌‌اند که مستلزم مبادله‌ی مکان‌های ذرات مختلف در شیشه است. این تبادل به اکتشاف سریع ترکیب‌بندی انرژی پتانسیل ممکن ذرات انجامیده و به تعیین دقیق حالات تعادلی منجر می‌شود که در غیر این صورت امکان محاسبه آن وجود نداشت.

این شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که ذراتی که در زیرلایه نفوذ می‌کنند بسیار راحت‌تر از آن‌هایی که در حجم شیشه نفوذ می‌کنند قادر به حرکت هستند. این تحرک سحطی بالا به ذرات این امکان را می‌دهد تا پایدارترین ترکیب‌بندی تعادلی را بیابند؛ فرآیندی که در شیشه‌های عادی تنها می‌تواند در طی فرآیندهایی با نفوذ بسیار آرام‌تر ذرات در حجم ماده رخ دهد. این شبیه‌سازی‌ها پارامترهای بهینه‌ای، همچون دما و آهنگ نهشت، را برای تولید شیشه‌های فوق‌پایدار نیز بدست می‌دهد.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است. 

درباره‌ی نویسنده:

ماتو رینی معاون سردبیر مجله فیزیک است.

منبع:

Why Vapor-Deposited Glasses Are so Stable