Археологические находки предполагают, что стекло было впервые изготовлено на Ближнем Востоке приблизительно 3000 лет до нашей эры. Тем не менее, до сих пор, т.е. через пять тысяч лет после его изобретения, наука не может понять, каким образом стеклоподобные материалы физически переходят от расплавленного состояния в твердое.

Профессор химического машиностроения UD Ричард Вуул (Richard Wool) из Университета Делавера (University of Delaware) предполагает, что ответ на этот вопрос найден. Он обнаружил, что по мере того, как стеклоподобная жидкость охлаждается до состояния твердения, атомы формируют кластеры, которые в определенный момент времени становятся стабильными.

В самое ближайшее время в журнале Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics будет опубликована статья проф. Вуула, документирующая его находки и концептуальный подход к пониманию природы и структуры преобразования стекла в аморфное состояние. Теория проф. Вуула предлагает количественный алгоритм описания явления, которое всегда объясняялось исключительно с эмпирических точек зрения.

Новая теория с названием Twinkling Fractal Theory (TFT) предполагает универсальную возможность объяснения поведения стеклоподобных материалов вообще, включая полимеры, металлы и керамику. Что отличает стекла от других материалов, так это то, что даже после затвердевания они сохраняют молекулярную структуру жидкости. С другой стороны, некоторые жидкости, например, вода, предполагают кристаллическую структуру при твердении. Стекло не проходит такое превращение, при твердении стекла молекулы постепенно замедляют свое движение, пока не останавливаются в совершенно хаотическом состоянии, где-то на пути между жидкостью и твердым телом.

Другое различие между стеклами и более традиционными материалами заключается в том, что переход из жидкого в твердое состояние не происходит при стандартной температуре (как, например, при переходе воды в лед), но зависит от скорости охлаждения – чем выше скорость охлаждения стекол, тем выше температура перехода.

Проф. Вуул обнаружил также, что по мере того, как жидкость охлаждается до стеклоподобного состояния, атомы формируют кластеры, которые в свое время становятся стабильными и фиксируются в районе температуры перехода в стекло. Такие кластеры представляют собой стабильные фракции или структуры с нерегулярными или фрагментарными формами.

Теория была подтверждена независимыми экспериментальными результатами, полученными профессором физики Северо-Восточного Университета (Northeastern University) Натаном Израэлофф (Nathan Israeloff), который не знал о теоретических разработках проф. Вуула, однако его результаты полностью укладываются в теоретические предпосылки последнего.

В недавней статье в научном разделе газеты The New York Times о природе стекла журналист Кеннет Чанг (Kenneth Chang) высказывает предположение о том, что разгадка природы твердения стекла «тянет» на Нобелевскую премию, отдавая должное открытию проф. Вуула и возможным последствиям его теории для науки.

До тех же пор, пока новая теория не получила полного подтверждения и признания, она с успехом займет свое место как портал в материаловедении и физике твердого тела, давая возможность физикам использовать результаты и предположения в новых работах. Теория, по-видимому, сможет внести свой вклад в современное понимание таких явлений, как образование трещин, аггрегирование, физическое старение материалов и др. Теория проф. Вуула может оказаться весьма полезной при объяснении многих нетрадиционных процессов, связанных с наноматералами, которые ведут себя совершенно отлично от их макроскопических аналогов.

Евгений Биргер