Téma týdne

Molekulární vědci neočekávaně vyrobili nový typ skla

Když se profesor Juan de Pablo a jeho spolupracovníci pustili do objasňování neobvyklých informací v jinak bezpříznakových optických datech, mysleli si, že příčinou jsou chyby ve výpočtech. Ve skutečnosti šlo o reálné indikace molekulárního řádu v materiálu, který byl doposud považován za amorfní s naprosto nahodilým uspořádáním molekul. Jejich experiment vyústil ve vznik nové formy skla.

Molekulární vědci neočekávaně vyrobili nový typ skla
Molekulární vědci neočekávaně vyrobili nový typ skla

Molekulární vědci odhalili výjimečné vlastnosti obyčejného skla. Jejich neočekávaný objev, popsaný ve zprávě publikované v periodiku Proceedings of the National Academy of Sciences a doporučené šéfredaktorem časopisu Science jako klíčový článek v oboru výzkumu materiálů, nabízí jednoduchou cestu ke zvýšení účinnosti elektronických zařízení typu světelných diod, optických vláken nebo solárních buněk. Tento objev by teoreticky mohl mít dopad i na vnímání a pochopení překvapivě stále tajemné skleněné hmoty.

„Je to ohromné překvapení,“ říká profesor de Pablo. „Nahodilost v uspořádání je téměř synonymem skla. Možná bych měl spíše říci – až doposavad jsme si to mysleli. Nyní se nám podařilo prokázat, že je možné vytvořit sklo, jehož hmota bude mít nějakou předem danou strukturu. Když jsme nyní rozklíčovali způsob vzniku této struktury, můžeme její vnitřní vztahy řídit tak, že budeme do procesu přípravy skelné hmoty vstupovat.“ Profesor de Pablo spolu se svým postgraduálním studentem Ivanem Lyubimovem spolupracovali se skupinou kolegů v čele s Markem Edigerem z wisconsinské univerzity. Ti zajišťovali počítačové simulace experimentů profesora a jeho doktoranda.

Juan de Pablo je teoretik a profesor molekulárního inženýrství na chicagské univerzitě.

Vědci vytvářeli sklo odpařováním velkých organických molekul ve vakuu, které následně vrstvili v tenoučkých vrstvách za přísně kontrolované teploty. Když byl vzorek dostatečně silný, analyzovali ho za pomoci spektroskopické elipsometrie, což je technika používaná k měření interakce náhodného světla nebo laserového paprsku se zkoumaným materiálem. „Naši spolupracovníci v těchto materiálech odhalili zajímavé extrémy,“ říká de Pablo a dodává: „Tyto vrcholy se objevují tehdy, když se v materiálu objeví nějaká výrazná molekulární orientace.“ Na začátku nebyli výzkumníci schopni vysvětlit ani původ těchto extrémů, ani příčinu jejich závislosti na teplotě formování skla. Když ale skupina vědců provedla počítačové simulace experimentů, objevily se stejné charakteristiky orientace. Významné množství molekul ve skle vykazovalo identickou orientaci. Otázkou bylo proč.

Odpověď je ve způsobu formování materiálu. V tekutinách – a sklo je vlastně do určité míry typ tekutiny – molekuly na povrchu reagují s molekulami ve vzduchu. Molekuly na povrchu se někdy semknou a seskupí se jinak než náhodně orientované molekuly v tekutině samotné. Experimentální postup využívající metodu odpařování vlastně vedl k vrstvení množství „povrchů“. Molekuly v jednotlivých vrstvách zůstanou „uvězněny“ v orientaci, již měly ve chvíli, kdy byly – i když jen nakrátko – na povrchu.

Nový vědecký objev změnil vše, až donedávna byla amorfní struktura skla jednou z jeho základních definicí. Pevně daná struktura byla vyhrazena oxidu křemičitému ve formě nerostu křemene.

Vědci zjistili, že tento efekt může nastat jen tehdy, pokud bude sklo zpracováváno v relativně malém rozpětí teploty kolem bodu, kdy tekutá skelná hmota začíná právě tuhnout. Změny teploty v tomto rozpětí umožňují vědcům „cizelovat“ orientaci molekul. Poté, co je proces tuhnutí jednotlivých vrstev ukončen, materiál je stabilní a měnící se teploty ho již nemohou nijak ovlivnit.Pouze malý počet molekul ve zkoumaných vzorcích je orientován v jiném směru než zbytek molekul ve skelné hmotě. Ale i tak to stačí k zásadní změně optických vlastností těchto materiálů. Skupina výzkumníků pokračuje ve zkoumání těchto nových materiálů, experimentuje s novými molekulami a snaží se zvýšit účinnost tohoto postupu. Na teoretické zkoumání výše uvedených zjištění se teprve čeká.

„Sklo je jedním z nejméně uchopitelných materiálů,“ říká de Pablo. „Má strukturu tekutiny a postrádá řád, ale jeho skupenství je pevné. Právě tato vlastnost skla lidstvo již desítky let fascinuje. Skutečnost, že nyní dokážeme dát těmto zdánlivě chaotickým strukturám řád, by mohla mít podstatný teoretický a technologický dopad. Nevíme sice ještě jaký – jde o novou oblast výzkumu a materiály, jež v minulosti neexistovaly – ale první krok jsme již udělali.“

Text: Carla Reiter, redakčně upraveno a převzato z UChicagoNews, překlad: Patricie Vlachová Klimešová, ilustrační úvodní foto: Stavos, Flicker, 2015, CC BY-NC-ND 2.0