2015. aastast ilmuvad Novaatori uudised Eesti rahvusringhäälingu veebilehe teadusrubriigis ERR Novaator (novaator.err.ee).

Novaator
18.04.2010 12:40

Aine klaasja oleku saladus

Novaator
Skype:
novaator@ut.ee
Loe kommentaare (0)
Samal teemal (2)

Füüsika pole valmis! kristallide ehituse kohta teatakse palju, sest seda on olnud võimalik analüütilise matemaatika abil kirjeldada, aga kristalle on tegelikus maailmas vähe. Suur jagu meid ümbritsevast ainest on hoopis klaasjas olekus, mille olemuse kohta on teadmised napid, kirjutas Postimehes TÜ füüsikaprofessor Jaak Kikas.

Maailmalõpp on in. Alustame meiegi sellisest mõttemängust. Oletame, et te olete inimsoo viimane esindaja ja teil on võimlus neile, kes ehk kunagi siin uuesti midagi tegema hakkavad, edastada vaid üks sõna, mõte või lause.

Milline see olla võiks, et neid «tulevasi» kõige kiiremini edasi aidata? Üks eelmise sajandi «suurtest», Richard Feynman (Nobeli preemia 1965 kvantelektrodünaamika loomise eest) on arvanud, et see sõna võiks olla «atomism». Ehk teadmine, et kõik nähtava maailma kirev paljusus on kokku pandud suhteliselt piiratud arvust eri liiki pisiosakestest – aatomitest.

Kuidas just on asjad aatomitest kokku pandud? Jah, see ongi olnud kondensaine (eestikeelse uudisterminina ka «tihkaine») füüsikaks nimetatava füüsikaharu uurimisobjektiks.

Alustati, nagu harilikult ikka, lihtsamast. Minu tahkisteooria õppejõud ülikoolis, praegune professor emeritus Nikolai Kristoffel rääkis meile, kuidas tema isa, lugupeetud ladina keele õpetaja Rakvere gümnaasiumis, päris poja tegemiste kohta Tartus. Ja saanud vastuseks, et too uurib kristalle, küsinud otse, et kus need kristallid meil siis on?

Tõepoolest, kui tõstame pilgu ja vaatame enda ümber ringi, vaevalt me kusagil kristalle, vähemasti suuri ja ilusaid monokristalle näeme. Miks siis tahkisefüüsika (tihkisefüüsika see osa, mis tahkete ainetega tegeleb) kõigepealt kristallide füüsikana valmis tehti?

Oluliselt ikka samal põhjusel, miks mees tuntud anekdoodis tänavalaterna all kaotatud võtit otsis, ehkki ta kaotas selle hoopis mujale – laterna all oli valgem ja selgem. Kristallide kõrge korrapära (keedusoola näide on vast kõigil koolipõlvest meeles) lubab neid väga lihtsalt kirjeldada. Aga kaugeltki mitte kogu meid ümbritsev aineline maailm ei koosne kristallidest.

Üheks tahkisefüüsika seni vallutamata bastioniks on jäänud klaasid. Harilik aknaklaas on kõigile tuntud käepärane näide, aga teadlaste jaoks on klaaside maailm palju rikkalikum – sinna kuuluvad ka ained-materjalid, mis tavaarusaamas klaasist õige kaugel.

Molekulaarklaasid, ioonklaasid, metallklaasid on kõik näited klaaside paljususest, igal oma erinevad rakendused. Aga ka struktuurid, mis ei koosne aatomitest, vaid hoopis suurematest osakestest (kolloidklaasid) või hoopiski mitte osakestest (vorteksklaas «magnetniitide» teatud asetuse kohta ülijuhtides).

Klaaside abil peame me sidet optilistes kaablites, mängime golfi, parandame (vajadusel ja kirurgide abiga) oma luukudet – aga need ja veel paljud muud klaaside kasulikud rakendused pole tänase jutu teemaks.

Kuidas kirjeldada klaaside molekulaarset ehitust? Milliste reeglite järgi on need üksikutest aatomitest (molekulidest) «kokku pakitud»? Kristallide lihtsa korrapära kõrval tundub klaasides valitsevat lootusetu segadus.

Samas on iga üksiku klaasi molekuli (aatomi) naabrite asukohad suhteliselt määratletud, see korrapära kaob aga kiiresti eemaldumisel väljavalitud molekulist. Või me lihtsalt ei oska näha tegelikku korrapära? Nagu kirjaoskamatule tundub raamatu lehekülgi kattev tekst kõik ühesuguse kribu-krabuna.

Et «pakkimisteadus» üks lihtne asi pole, sellest annab aimu nn Kepleri oletuse lugu. Õige mitme avastusega kuulsaks saanud Johannes Kepler väitis juba 1611. aastal, et ühesuguseid kerakesi saab pakkida nii, et need täidavad 74,048... protenti ruumist. Olete ju näinud püramiidi laotud apelsine! Aga tihedamini ei saa, tingimata jäävad vahed vahele.

Selle kohta öeldi, et «kõik füüsikud teavad ja kõik matemaatikud usuvad», et see nii on. Et matemaatikute usust saaks teadmine, kulus ligi neli sajandit. Vastava matemaatilise teoreemi tõestuse andis Ameerika matemaatik Thomas Callister Hales alles 1998. aastal. See tõestus sisaldab umbes sada lehekülge teksti, lisaks veel kolm GB arvutiprogramme ja arvutuste tulemusi.

Tegelikult on ka praegu tõestusesse jäänud mõned augud. Hales ei kahtle, et need on kõrvaldatavad, arvab aga, et selleks kulub veel vähemalt kümme aastat tööd. Lihtsad asjad võivad mõnikord osutuda üllatavalt keeruliseks!

Füüsikud on üldiselt läbematumad ja püüavad kiiremini hakkama saada. Praeguseks on lisaks kristallidele põhjalikult uuritud mitmeid teisi tihkisfaase ja avastatud ka põhimõtteliselt uusi.

Uurijaid üllatas tõsiselt nn kvaasikristallide avastamine 1980. aastate alguses – nendes ilmnesid sümmeetriaomadused, mida kristallidel ei tohtinuks teoreetiliseltki olla. Kvaasikristallide kirjeldamiseks välja töötatud mudelitest võib tõusta tulu ka klaaside korral. 

Osutub, et kvaasikristallid on (oleksid) igati korralikud kristallid, ainult et ... kõrgemadimensionaalses ruumis. Kujutades teatud viisil sellise kõrgemadimensionaalse kristalli tagasi meie tavalisse kolmemõõtmelisse ruumi, saamegi kvaasikristalli. Sama võtet on teatud eduga püütud rakendada klaaside struktuuri kirjeldamiseks.

Kõrgemad dimensioonid on, teadagi, populaarne mõiste – matemaatikalt-füüsikalt on selle kiiresti oma arsenali üle võtnud esoteerika, nagu uute mõistetega varemgi juhtunud. Tõepoolest, paradiisi mineku asemel on ju palju põnevam üle minna kõrgemasse dimensiooni, kõlab teaduslikumalt igatahes.

Aga ka füüsikas eneses on kõrgemad dimensioonid käibel paaris üsna erinevas tähenduses. Esmalt kui formaalne vahend paljude vabadusastmetega süsteemide kirjeldamisel.

Teiseks kui reaalse füüsikalise aeg­ruumi nn ekstradimensioonid: stringiteooriates on meie aeg­ruum 10-mõõtmeline, millest vahetule kaemusele ja otsesele mõõtmisele on kättesaadavad vaid kolm (neli koos ajaga).

Kvaasikristallide kõrgemadimensionaalne kristallograafia on neist mõlemast põhimõtteliselt erinev lähenemine, kuigi on põnev küsida (nagu mõned füüsikateoreetikud ka küsinud on), mis seos sellel võiks olla aegruumi ekstradimensioonidega.

Osakesed klaasides ei seisa muidugi paigal, vaid on pidevas soojuslikus liikumises. Klaasides esineb nähtusi, mida oleme harjunud harilikult omistama märksa keerukamatele süsteemidele.

Toivo Maimets kirjutas Postimehe teaduse suurte küsimuste sarjas inimese vananemisest. Ka klaasid vananevad. Katsed näitavad, et isegi ülimadalatel temperatuuridel kulgevad nendes teatud pöördumatud protsessid.

Mikroskoopiliselt vaadates pole klaas täna enam see, mis ta oli eile. Klaaside füüsika sai kui mitte just alguse, siis oluliselt hoogu juurde 1970. aastate alguses, kui avastati, et klaasides on ka temperatuuridel alla 1 K (üks kraad üle absoluutse nulli) palju rohkem «elu» (liikumist) kui kristallides ja nende soojuslikud omadused on kristallide omadest sootuks erinevad.

Mis seal aga molekulaarsel tasemel tegelikult toimub, on siiani selgusetuks jäänud. Samas oleks siin sobiv kummutada üks linnalegend klaasi voolamisest, mida just nagu kinnitaksid vanade kirikute alt paksemad aknaklaasid. Täpsemad arvutused näitavad, et klaas voolab küll, aga nii palju vaid aja jooksul, mis on võrreldav meie universumi vanusega. Katedraalid on teadaolevalt pisut nooremad.

Klaasid on tihedalt seotud teise peamurdmist pakkuva tihkisfaasiga – vedelikega. Klaaside saamise levinumaks teeks on vedeliku (sulaklaasi) jahutamine. Mis toimub vedelikus, kui sellest saab jahtumisel klaas? Miks mõnel puhul saame klaasi, aga mõnel puhul mitte – tekib nt kristall?

Selles on teadlased ühel meelel, et vedeliku klaasistumine on midagi sootuks teisemat kui kristallide teke, nt vee jäätumine. Edasi aga seisukohad lahknevad. Ühe arvamuse kohaselt peaksid kõik vedelikud muutuma piisavalt madalal temperatuuril kristalliks.

 

Peaksid, aga ei muutu – muutuseni viivad protsessid aeglustuvad jahtumisel sedavõrd, et see muutus tegelikult kunagi aset ei leia. Õpetlik näide ka üldisemalt – kui tahes head kavad muutuvad väärtusetuks, kui me neid meile antud aja jooksul täita ei suuda.

Kui kiiresti protsessid klaasistuvas vedelikus just jahtumisel aeglasemaks muutuvad, selles küsimuses on ka üks Eestimaalt pärinev mees end teaduslukku kirjutanud.

Seda nähtust kirjeldava Vogel-Fulcher-Tammanni valemi autorite seas on Gustav Heinrich Johann Apollon Tammann (1861–1938) – Tartu Ülikoolist hariduse saanud ning Tartus ja hiljem Saksamaal Göttingenis töötanud keemik, üks füüsikalise keemia rajajatest. Ennustada aga, kas vedelikust saab jahutamisel kristall või klaas, käib teadusele ka praegu veel üle jõu.

Nobeli füüsikapreemia laureaat Philip Warren Anderson on 1995. aastal kirjutanud: «Sügavaimateks ja kõige huvitavamateks [lahendamata] probleemideks tahkiste teoorias on klaasi olemuse ja vedelik-klaas siirde teooria.» Selline on asjade seis suuresti ka praegu.

Mõtiskledes teaduse olemuse üle, väitis Ungari päritolu ameerika matemaatik John von Neumann (1903–1957), et ega teadus ei püüagi midagi seletada. Isegi mitte interpreteerida. Ainus, mida ta teeb, on see, et ehitab mudeleid. Mudel on teatud matemaatiline konstruktsioon, mis lubab teha ennustusi reaalses maailmas toimuvate nähtuse kohta.

Ja mudeli headuse mõõduks on see, kui hästi need ennustused täppi lähevad. Mida rohkem järeldusi sest mudelist teha saab – mida üldisem see on –, seda parem muidugi. Klaaside uuringute alal on mõndagi tehtud, aga olulised probleemid on jäänud.

Oleme klaaside mõistmisel siiski umbes sama kaugel, kui füüsika oli kristallide mõistmisel XX saj algul – meil pole ühtset teooriat, millest nii klaaside ehitus kui molekulaarsed siseliikumised oleksid tuletavad nii, nagu oskame seda teha kristallide korral. Nagu tuntud anekdoodis pimedatest, kes kirjeldasid elevanti, oskame me kirjeldada klaaside «lonti», «jalgu», «saba», ei oska aga kokku panna «klaasielevanti».

Mis võiks olla praktiline kasu, kui räägitud (alus)probleemide lahendamisel saavutatakse olulist edu? Mis tahes ühe konkreetse klaasja aine kohta saadud alustulemused (loodud uued mudelid) võivad kohe osutuda kasulikuks ka kõigi teiste klaaside jaoks.

Pole midagi praktilisemat heast alustulemusest – selle jõudmiseks praktikasse on harilikult palju teid ja mõnda mööda neist jõuab see kindlasti sihile. Aga lõpetada sobiks ehk sama Richard Feynmani, kellest alustasime, mõttega: «Füüsika on nagu seks. Kindlasti võib see anda mõningaid praktilisi tulemeid, aga mitte sellepärast ei tee me seda.»

 

Allen Watkin /Flickr 23.07.2014 11:41

Näotuvastustarkvara ... kassidele?

Pirtsakate lemmikloomade peremehed saavad kergemalt hingata.

UCSB 16.06.2014 16:09

Hõbeda nanoosakesed võtavad sihikule vähi

Üliväikestest hõbeda nanoosakestest loodetakse tulevikumeditsiinis palju – nende abil saaks viia kasvajate diagnoosimise oluliselt täpsemaks või toimetada ravimeid kehas täpselt sinna, kus neid vaja läheb.

23.05.2014 18:20

Taimed reedavad keemiarelva kasutamise

Valge sinep kogub keelatud ründemürke.

02.05.2014 12:47

Kui palju inimesi mahub maakerale? (4)

Millal jõuab kätte piir, mil maakera inimestele kitsaks jääb?

21.04.2014 13:25

Mis on Eesti rikkus viie rikkama riigi hulgas? (1)

Mitut kriisi näeme enne, kui suudame tegelikult uskuda Eesti majanduse edusse? Millest ei saa mööda vaadata tuleviku ettevõtete juhid? Kas Eesti jõuab aastaks 2032 Euroopa rikaste hulka ning millega? Mis on Eesti tõeline rikkus?

14.04.2014 13:44

Aasta 2032: maailma tõsiseim mure on joogivesi (2)

Maakeral on puudus puhtast joogiveest. Inimene kujundab keskkonda jõuliselt enda käe järgi ümber. Eesti põlevkivitööstusel seisab ees hääbumine.

18.03.2014 11:15

Uut tüüpi värvid ei pleegi kunagi

Pigmendivabade nanovärvide loojad said inspiratsiooni loodusest.

29.01.2014 16:24

Veega printimine hoiab paberit kokku (3)

Nutikas tehnoloogia lubab paberilehte kasutada mitu korda.

09.01.2014 16:08

Puud reedavad kullaleiukohti (1)

Kullasoonel kasvavad eukalüptid koguvad väärtuslikku metalli lehtedesse.

16.12.2013 14:40

Galerii: Eesti parimad teadusfotod 2013

Kes võitsid viienda Eesti teadusfotode konkursi?

11.12.2013 11:38

Tammetüves peituv kliima

Geograaf Kristina Sohar lõi esimese Eesti minevikukliima mudeli, mis põhineb puu aastarõngastel.

29.11.2013 20:05

Tulevikus neelame nanotablette

Pisikesed nanoosakesed lubavad ravimi viia otse haiguskoldesse.

20.11.2013 14:30

Avatud märkmiku teadus

2015. aastal saavad maailma esimesed teadusajakirjad – Journal des Sçavans Prantsusmaal ja paar kuud hilisem Philosophical Transactions of the Royal Society Inglismaal – 350 aastat vanaks.

24.10.2013 16:35

Kuidas otsida ja leida vanu raamatuid?

Eelmisel nädalal leiti Tallinnast raamatu köitematerjali hulgast fragment 1457. aastast pärit Mainzi psaltrist, mis on pärit trükikunsti leiutaja Johannes Gutenbergi eluajast.

10.10.2013 12:15

Nobel: Mehed, kes viisid keemia arvutisse

Tänapäeval teevad keemikud palju tööd ära juba arvutimudelite abil, minnes alles seejärel laborisse.

08.10.2013 15:14

Nobel lisab Higgsi osakesele kaalu (1)

Füüsika Nobeli pälvisid kaks meest, kelle töö andis põhjust ehitada maailma kalleim katseseade. Selles tehtud eksperimentide tulemuste arusaadavalt selgitamiseks korraldatakse võistlusi.

Wikimedia Commons 05.06.2014 16:38

Kui valikuline on tähelepanu?

Miks ilus inimene rahvasummas silma jääb? Või ka kauguses kostuv pidurikrigin liiklusmürast üle kostab?

13.05.2014 09:32

Iseparanev plast lapib auke

Nutikas polümeer jäljendab vere hüübimist.

22.04.2014 20:00

UFO-usk on Eestis tõusuteel (8)

Eestis on kristlasi pea sama palju kui kõikvõimalike uute religioossete praktikate toetajaid, mõlemaid umbes viiendik elanikkonnast. Maaväliste tsivilisatsioonide olemasolu usub pea iga teine, selgub äsja Tartu ülikooli usuteadlaste poolt läbiviidud küsitlusest.

15.04.2014 16:36

Lääne-Euroopa probleemid jõuavad Eestisse (4)

2032. aasta Eesti põlisasukad peavad oskama kohaneda Aafrika ja Aasia sisserändajatega.

11.04.2014 14:42

Kas päike on aastaks 2032 maa peale toodud? (4)

Piiramatu arvutivõimsus ja termotuumaenergia kasutuselevõtt oleksid võrreldavad muutusega, mille tõi inimkonnale kaasa internet. Aga kas meil õnnestub lahti muukida universumi olemuse üks põhiküsimusi?

12.02.2014 16:32

Kui suur on neutriino mass?

Salapäraste osakeste massi piirväärtuse tõstmine parandab kosmoloogilist standardmudelit.

15.01.2014 12:43

Milleks on vaja unenägusid? (1)

Kas unenäod väljendavad mällutalletamise protsessi?

30.12.2013 18:11

Mida on võimalik teada saada mobiiltelefoniandmeid analüüsides?

Kõigil on taskus mobiiltelefon, mida kasutades jätame me endast pidevalt jälgi: iga kõne, SMS või internetiühendus jätab andmebaasi märgi.

12.12.2013 10:37

Taevakivist leitud üliväikesed teemandid näitavad nanotehnoloogias uusi võimalusi (1)

Poole sajandi eest Maale kukkunud meteoriit, mis on vanem kui Päikesesüsteem, sisaldab teadaolevalt kõige väiksemaid eriliste kiirgusomadustega teemante.

03.12.2013 12:43

Kui vana on sinu keha? (2)

Kõhukas kolmekümneaastane võib füüsilise vormi poolest kuuluda pigem pensionieelikute sekka. Heas vormis 70-aastane harrastussportlane aga olla võrdne 25-aastastega.

22.11.2013 18:16

Aatomid kuulavad sõna

Kontrollitud spinniga osakesed lubavad luua üliväikseid mäluseadmeid.

13.11.2013 13:07

Uus viis nähtamatuks muutuda (1)

Äsja loodud seade kasutab esemete peitmiseks elektromagnetvälja.

10.10.2013 13:45

Kuidas kõlas Suur Pauk?

Kosmilise jääkkiirguse muutused tõlgiti inimkõrvale kuuldavateks helideks.

08.10.2013 21:32

Elavhõbe teeb maalid mustaks

Õhus leiduv kloor ja valgus meelitavad metalli punakast värvipigmendist välja.

 
Küsi teadlaselt
Teatavasti vee ruumala paisub nii soojenemisel (aurustumisel) kui ka jäätumisel. Oletame, et on üks anum, mis on vett täis ja on purunematu. Mis hakkab juhtuma siis, kui sundida sellel veel jäätuda?
Jaak Kikas, Tartu ülikooli füüsika instituudi direktor :

See on huvitav küsimus, millele täpse kvantitatiivse vastuse andmine polegi nii lihtne. Üldiselt aga võiks vastata nii: kui paisumisvõimalus puudub,

Loe edasi!
Esita küsimus Kõik
Tartu Ülikool
Idee
Veider teadus