ليست مادة صلبة ولا سائلة ، فهذه المادة الشائعة والمعقدة لا تزال تثير دهشة العلماء

الزجاج مادة متعددة الوجوه: فهو قديم وحديث في آن واحد ، قوي ولكنه رقيق ، وقادر على تبني أي شكل أو لون تقريبًا. هذه الخصائص للزجاج هي سبب استخدام الناس له لصنع كل شيء من شاشات الهواتف الذكية وكابلات الألياف الضوئية إلى القوارير التي تحتوي على اللقاحات.

تستخدم البشرية الزجاج في بعض الأزياء لآلاف السنين ، ولا يزال الباحثون يجدون استخدامات جديدة له اليوم. ليس من غير المألوف أن نسمع الحقائق المتكررة التي تقول إن الزجاج في الواقع سائل وليس صلبًا. لكن الواقع أكثر إثارة للاهتمام – فالزجاج لا يتناسب بدقة مع أي من هاتين الفئتين ، وهو من نواح كثيرة حالة من المادة كلها خاصة به. بصفتنا اثنين من علماء المواد الذين يدرسون الزجاج ، نحاول باستمرار تحسين فهمنا لهذه المادة الفريدة واكتشاف طرق جديدة لاستخدام الزجاج في المستقبل.

ما هو الزجاج؟

أفضل طريقة لفهم الزجاج هي فهم كيفية صنعه.

تتطلب الخطوة الأولى لصنع الزجاج تسخين مزيج من المعادن – غالبًا رماد الصودا والحجر الجيري ورمل الكوارتز – حتى تذوب في سائل عند حوالي 2700 درجة فهرنهايت (1480 درجة مئوية). في هذه الحالة ، تتدفق المعادن بحرية في السائل وتتحرك بطريقة غير منظمة. إذا تم تبريد هذا السائل بسرعة كافية ، فبدلاً من التصلب في بنية بلورية منظمة مثل معظم المواد الصلبة ، يتجمد الخليط مع الحفاظ على الهيكل غير المنتظم. إن الهيكل المضطرب ذريًا هو الذي يحدد الزجاج.

على نطاقات زمنية قصيرة ، يتصرف الزجاج مثل مادة صلبة. لكن البنية الشبيهة بالسائل للزجاج تعني أنه خلال فترة زمنية طويلة بما فيه الكفاية ، يخضع الزجاج لعملية تسمى الاسترخاء. الاسترخاء هو عملية مستمرة ولكنها بطيئة للغاية حيث تقوم الذرات الموجودة في قطعة من الزجاج بإعادة ترتيب نفسها ببطء إلى هيكل أكثر استقرارًا. على مدار مليار سنة ، سيتغير شكل قطعة الزجاج النموذجية بأقل من نانومتر واحد – حوالي 1/70.000 قطر شعرة الإنسان. نظرًا لمعدل التغيير البطيء ، فإن الأسطورة القائلة بأن النوافذ القديمة أكثر سمكًا في الأسفل بسبب قرون من الجاذبية التي تسحب الزجاج المتدفق ببطء ليست صحيحة.

بالعامية ، غالبًا ما تشير كلمة زجاج إلى مادة صلبة وهشة وشفافة مصنوعة من الرمل المنصهر والصودا والجير. ومع ذلك ، هناك العديد من أنواع الزجاج غير الشفافة ، ويمكن صنع الزجاج من أي مجموعة من العناصر طالما يمكن تبريد الخليط السائل بسرعة كافية لتجنب التبلور.

من العصر الحجري إلى اليوم

استخدم البشر الزجاج منذ أكثر من 4000 عام ، وكان من أوائل الاستخدامات حبات الزجاج المزخرفة ورؤوس الأسهم. اكتشف علماء الآثار أيضًا أدلة على ورش زجاج عمرها 2000 عام. تم الكشف عن إحدى هذه الورش القديمة بالقرب من حيفا في إسرائيل الحديثة ويعود تاريخها إلى حوالي 350 بعد الميلاد ، حيث اكتشف علماء الآثار قطعًا من الزجاج الخام وأفران صهر الزجاج وأواني زجاجية نفعية وحطام من نفخ الزجاج.

بدأ تصنيع الزجاج الحديث في أوائل القرن العشرين مع تطوير تقنيات الإنتاج الضخم للزجاجات الزجاجية والألواح الزجاجية المسطحة. أصبح الزجاج جزءًا أساسيًا من صناعة الإلكترونيات والاتصالات السلكية واللاسلكية في الجزء الأخير من القرن العشرين ويشكل الآن العمود الفقري للإنترنت.

تقنيات تمكين الزجاج في الغد

اليوم ، يتجاوز العلماء كثيرًا استخدام الزجاج كمادة لكوب أو مرآة. في طليعة البحث في الزجاج ، تكمن القدرة على معالجة تركيبته الذرية المعقدة وعملية الاسترخاء لتحقيق خصائص معينة.

نظرًا لأن الزجاج مضطرب ذريًا ودائمًا ما يتغير ، فمن المحتمل أن يكون لأي نقطتين على قطعة من الزجاج خصائص مختلفة قليلاً – سواء كانت القوة أو اللون أو الموصلية أو أي شيء آخر. بسبب هذه الاختلافات ، يمكن أن تتصرف قطعتان متشابهتان من الزجاج تم تصنيعهما بنفس الطريقة باستخدام نفس المواد بشكل مختلف تمامًا.

للتنبؤ بشكل أفضل بسلوك قطعة من الزجاج ، كان فريقنا يبحث في كيفية تحديد ومعالجة التركيب الذري الفوضوي والمتغير باستمرار للزجاج. كان للتطورات الأخيرة في هذا المجال فوائد مباشرة للتقنيات الحالية.

على سبيل المثال ، لا تتصدع شاشات الهاتف بسهولة كما حدث في عام 2014 ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن تقنيات المعالجة الجديدة تقلل من الاختلافات في قوة الرابطة الذرية لجعل انتشار الشقوق أكثر صعوبة. وبالمثل ، تحسنت سرعات الإنترنت بشكل كبير على مدار العشرين عامًا الماضية لأن الباحثين اكتشفوا طرقًا لجعل كثافة الزجاج المستخدم للألياف الضوئية أكثر اتساقًا ، وبالتالي ، أكثر كفاءة في نقل البيانات.

يمكن أن يؤدي الفهم الأعمق لكيفية التلاعب بالبنية المتغيرة والفوضوية للزجاج إلى تطورات كبيرة في التكنولوجيا في السنوات القادمة. يعمل الباحثون حاليًا على مجموعة من المشاريع ، بما في ذلك البطاريات الزجاجية التي يمكن أن تتيح سرعات شحن أسرع وموثوقية محسّنة ، وتوربينات الرياح المصنوعة من الألياف الزجاجية التي تتطلب صيانة أقل من التوربينات الحالية ، وأجهزة تخزين الذاكرة المحسّنة.