Fizycy z Darmstadt zbadali procesy starzenia się materiałów i po raz pierwszy zmierzyli tykanie wewnętrznego zegara szkła, odkrywając zaskakujące zjawisko.
Czas doświadczamy jako zjawisko, które zmierza tylko w jednym kierunku. Kto kiedykolwiek widział, żeby filiżanka rozbijała się o podłogę, aby zaraz potem spontanicznie się skleić? Dla fizyków, nie jest to od razu oczywiste, ponieważ formuły opisujące ruch mają zastosowanie niezależnie od kierunku czasu. Na przykład nagranie, na którym wahadło kołysze się bez zakłóceń, wyglądałoby tak samo, gdyby poruszało się do tyłu. Codzienna nieodwracalność, której doświadczamy, wchodzi w grę dopiero poprzez dalsze prawa natury – drugie prawo termodynamiki. Gdyby jednak rozbity kubek miał się ponownie złożyć w całość, chaos i nieporządek byłyby mniejsze.
Można by pomyśleć, że starzenie się materiałów jest tak samo nieodwracalne jak rozbijanie szkła. Jednak podczas badania ruchów cząsteczek w szkle lub plastiku fizycy z Darmstadt odkryli teraz, że ruchy te są odwracalne w czasie, jeśli są postrzegane z pewnej perspektywy.
Zespół kierowany przez Tilla Böhmera z Instytutu Fizyki Materii Skondensowanej na Uniwersytecie Technicznym w Darmstadt opublikował swoje wyniki badań w Nature Physics.
Szkło lub tworzywa sztuczne składają się z plątaniny cząsteczek. Cząstki te są w ciągłym ruchu, przez co raz po raz przyjmują nowe pozycje. Na stałe szukają korzystniejszego stanu energetycznego, który z czasem zmienia właściwości materiału — tzw. starzenie się szkła.
Jednak w użytecznych materiałach, takich jak szyby okienne, może to potrwać miliardy lat. Proces starzenia się można opisać jako tak zwany „czas materialny”. Wyobraź sobie to w ten sposób: materiał ma wewnętrzny zegar, który tyka inaczej niż zegar na ścianie w laboratorium. Czas materiału tyka z inną prędkością w zależności od tego, jak szybko cząsteczki w materiale się reorganizują.
Odkąd koncepcja została odkryta jakieś 50 lat temu, nikomu nie udało się zmierzyć czasu materiału. Teraz po raz pierwszy zrobili to badacze w Darmstadt pod kierownictwem prof. Thomasa Blochowicza.
„To było ogromne wyzwanie eksperymentalne” – miniskularne fluktuacje w cząsteczkach musiały zostać udokumentowane za pomocą ultrawrażliwej kamery wideo. „Nie możesz po prostu patrzeć, jak cząsteczki drżą” – podkreślają naukowcy..
Jednak badacze coś zauważyli. Skierowali laser na próbkę wykonaną ze szkła. Cząsteczki w nim zawarte rozpraszają światło. Rozproszone wiązki zachodzą na siebie i tworzą chaotyczny wzór jasnych i ciemnych plam na czujniku kamery. Metody statystyczne mogą być użyte do obliczenia, w jaki sposób fluktuacje zmieniają się w czasie – innymi słowy, jak szybko tyka wewnętrzny zegar materiału. „To wymaga niezwykle precyzyjnych pomiarów, które były możliwe tylko przy użyciu najnowocześniejszych kamer wideo” – mówi Blochowicz.
Ale było warto. Analiza statystyczna fluktuacji molekularnych, w której pomogli naukowcy z Uniwersytetu Roskilde w Danii, ujawniła zaskakujące wyniki. Pod względem czasu materialnego fluktuacje cząsteczek są odwracalne w czasie. Oznacza to, że nie zmieniają się, jeśli czas materialny może tyknąć do tyłu, podobnie jak wahadło na nagraniu wideo, które wygląda tak samo, gdy jest odtwarzane do przodu i do tyłu.
„Nie oznacza to jednak, że starzenie się materiałów można odwrócić” – podkreśla Böhmer. Wynik potwierdza raczej, że pojęcie czasu materialnego jest dobrze dobrane, ponieważ wyraża całą nieodwracalną część starzenia się materiału. Jego tykanie uosabia upływ czasu dla danego materiału.
Wszystko inne, co porusza się w materiale w stosunku do tej skali czasowej, nie przyczynia się do starzenia. Tak jak, metaforycznie rzecz biorąc, dzieci bawiące się na tylnym siedzeniu samochodu nie przyczyniają się do jego ruchu.
Badacze z Darmstadt uważają, że ogólnie dotyczy to materiałów nieuporządkowanych, ponieważ zbadali dwie klasy materiału: szkło i plastik – i przeprowadzili komputerową symulację materiału modelowego, z tymi samymi wynikami.
Sukces fizyków to dopiero początek. „To zostawia nas z górą pytań bez odpowiedzi” – mówi Blochowicz. Na przykład pozostaje nam wyjaśnić, w jakim stopniu obserwowana odwracalność pod względem czasu materialnego jest spowodowana odwracalnością fizycznych praw natury lub jak tykanie zegara wewnętrznego różni się dla różnych materiałów.
Badacze chętnie prowadzą dalsze badania, więc przed nami mogą być bardziej ekscytujące odkrycia.
Więcej informacji: Böhmer, T. i in., Time reversibility during the ageing of materials (pol. Odwracalność czasu podczas starzenia materiałów), Nature Physics (2024), DOI: 10.1038/s41567-023-02366-z
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Technische Universitat Darmstadt | Nature Physics | Phys.org
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.