Zoom in op een kristal en je vindt een geordende reeks atomen, gelijkmatig verdeeld zoals de ramen van het Empire State Building. Maar zoom in op een stuk glas, en de foto ziet er wat rommeliger uit - meer als een willekeurige hoop zand, of misschien de ramen van een Frank Gehry-gebouw.

De sterk geordende aard van kristallen maakt ze vrij eenvoudig wiskundig te begrijpen, en natuurkundigen hebben theorieën ontwikkeld die allerlei kristaleigenschappen vastleggen, van hoe ze warmte absorberen tot wat er gebeurt als ze breken.

Maar hetzelfde kan niet gezegd worden van glazig, amorfe of anderszins "wanordelijke" materialen zoals het glas in onze ramen en vazen, diepvries voedsel, en bepaalde kunststoffen. Er zijn geen algemeen aanvaarde theorieën om hun fysieke gedrag te verklaren.

Al bijna 30 jaar, natuurkundigen hebben gedebatteerd of een mysterieuze faseovergang, aanwezig in theoretische modellen van ongeordende materialen, zou ook kunnen bestaan ​​in een echte bril. Met behulp van wat wiskundige tovenarij ontleend aan de deeltjesfysica - plus tientallen pagina's met algebraïsche berekeningen, allemaal met de hand gedaan - postdoctoraal onderzoeker Sho Yaida van de Duke University heeft dit mysterie tot rust gebracht.

Yaida's inzichten openen de mogelijkheid dat sommige soorten glas bij lage temperaturen in een nieuwe staat van materie kunnen bestaan, beïnvloeden hoe ze reageren op warmte, geluid en spanning, en hoe en wanneer ze breken.

"We vonden hints van de overgang waarvan we niet durfden te zeggen dat het het bewijs van de overgang was, omdat een deel van de gemeenschap zei dat het niet kon bestaan, " zei Patrick Charbonneau, universitair hoofddocent scheikunde bij de adviseur van Duke en Yaida. "Wat Sho laat zien, is dat het kan bestaan."

Verbijsterend als het lijkt, Charbonneau zei, de wiskunde achter een bril en andere ongeordende systemen is eigenlijk veel gemakkelijker op te lossen door aan te nemen dat deze materialen bestaan ​​in een hypothetisch oneindig-dimensionaal universum. In oneindige afmetingen, hun eigenschappen kunnen relatief eenvoudig worden berekend - net zoals hoe de eigenschappen van kristallen kunnen worden berekend voor ons driedimensionale universum.

"De vraag is of dit model enige relevantie heeft voor de echte wereld." aldus Charbonneau. Voor onderzoekers die deze berekeningen hebben uitgevoerd, "de gok was dat, als je van dimensie verandert, dingen veranderen langzaam genoeg zodat je kunt zien hoe ze veranderen als je van een oneindig aantal dimensies naar drie gaat, " hij zei.

Een kenmerk van deze oneindig-dimensionale berekeningen is het bestaan ​​van een faseovergang - de "Gardner-overgang" genoemd naar de baanbrekende natuurkundige Elizabeth Gardner - die, indien aanwezig in glazen, kunnen hun eigenschappen bij lage temperaturen aanzienlijk veranderen.

Maar heeft deze faseovergang, duidelijk aanwezig in oneindige dimensies, bestaan ​​ook in drie? Terug in de jaren 80, een team van natuurkundigen maakte wiskundige berekeningen die aantoonden dat nee, het kon niet. Gedurende drie decennia, de heersende opvatting bleef dat deze overgang, hoewel theoretisch interessant, was niet relevant voor de echte wereld.

Dat is, totdat recente experimenten en simulaties door Charbonneau en anderen er hints van begonnen te tonen in een driedimensionale bril.

"De nieuwe drive om hiernaar te kijken is dat, bij het aanpakken van het probleem van glasvorming, ze vonden een overgang die erg leek op degene die in deze studies verscheen, " zei Charbonneau. "En in deze context kan het belangrijke materiaaltoepassingen hebben."

Yaïda, die een achtergrond heeft in deeltjesfysica, wierp een tweede blik op de oude wiskundige bewijzen. Deze berekeningen hadden geen "vast punt" in drie dimensies gevonden, een voorwaarde voor het bestaan ​​van een faseovergang. Maar als hij de berekening nog een stap nam, hij dacht, het antwoord kan veranderen.

Een maand en 30 pagina's met berekeningen later, hij had het.

"Momenten als deze zijn de reden waarom ik wetenschap doe, " zei Yaida. "Het is maar een punt, maar het betekent veel voor mensen op dit gebied. Het laat zien dat dit exotische ding dat mensen in de jaren zeventig en tachtig vonden een fysieke relevantie heeft voor deze driedimensionale wereld."

Na een jaar van controles en hercontroles, plus nog eens 60 pagina's met ondersteunende berekeningen, de resultaten werden op 26 mei gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Het feit dat deze overgang mogelijk in drie dimensies bestaat, betekent dat we er serieus naar kunnen gaan zoeken, " zei Charbonneau. "Het beïnvloedt hoe geluid zich voortplant, hoeveel warmte kan worden opgenomen, het transport van informatie er doorheen. En als je het glas begint te scheren, hoe het zal opleveren, hoe het zal breken."

"Het verandert ingrijpend hoe we amorfe materialen in het algemeen begrijpen, of het nu gaat om amorfe kunststoffen of hopen zand of vensterglazen, " hij zei.