Германски изследователи успяха да открият състояние на материя, непознато досега на науката, което по-късно нарекоха „течно стъкло“. То е с неизвестни досега структурни елементи и откритието му дава нови прозрения за същността на стъклото и неговите фазови преходи.
Макар стъклото да е много разпространен материал, който използваме ежедневно, то представлява и голяма научна загадка. Противно на това, което може да се очаква, истинската природа на стъклото остава нещо загадъчна, а научното изследване на неговите химични и физични свойства все още са в ход. В химията и физиката самият термин стъкло е променлива концепция: Той включва веществото, което познаваме като прозоречно стъкло, но може да се отнася и за редица други материали със свойства, които могат да бъдат обяснени а подобно на стъкло поведение, включително метали, пластмаси, протеини и дори биологични клетки.
Въпреки че създава такова впечатление, стъклото е всичко друго, но не и твърдо като конвенционалните твърди материали. Обикновено, когато материалът преминава от течно в твърдо състояние, молекулите се подреждат, за да образуват кристална решетка. В стъклото това не се случва. Вместо това молекулите "замръзват" на място, преди да се случи кристализация. Това странно и неподредено състояние е характерно за стъклото в различни системи и учените все още се опитват да разберат как точно се образува това метастабилно състояние.
Ново състояние на материята: течно стъкло
Изследванията, ръководени от професорите Андреас Цумбуш (Andreas Zumbusch) от Катедрата по химия и Матиас Фукс (Matthias Fuchs) от Катедрата по физика, и двамата от Университета в Констанц, току-що добавиха още един слой сложност към загадката на стъклото. Използвайки моделна система, включваща суспензии от специално изработени елипсоидни колоиди, изследователите разкриват ново състояние на материята, течно стъкло, при което отделни частици могат да се движат, но не могат да се въртят - сложно поведение, което досега не е било наблюдавано в обемни стъкла.
Резултатите са публикувани в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Колоидните суспензии са смеси или течности, които съдържат твърди частици с размери на около микрометър (една милионна част от метъра), тоест са по-големи от атомите или молекулите и следователно са подходящи за изследване с оптични микроскопи. Те са популярни сред учените, изучаващи фазовия преход на стъклото, тъй като при тях се срещат много от явленията, които се срещат и в други стъклообразуващи материали.
Специално изработени елипсоидни колоиди
Към днешна дата повечето експерименти, включващи колоидни суспензии, разчитат на сферични колоиди. По-голямата част от естествените и техническите системи обаче са съставени от несферични частици. Използвайки полимерна химия, екипът, ръководен от Андреас Цумбуш, произвежда малки пластмасови частици, като ги разтяга и охлажда, докато постигнат елипсоидни форми и след това ги поставя в подходящ разтворител.
"Поради различните си форми нашите частици имат ориентация - за разлика от сферичните частици - което поражда изцяло нови и неизследвани досега видове сложно поведение", обяснява Цумбуш, който е професор по физикохимия и водещ автор в изследването.
След това изследователите променят концентрацията на частиците в суспензиите и проследяват както транслационното, така и ротационното движение на частиците, използвайки конфокална микроскопия.
"При определени плътности на частиците ротационното движение застива, докато транслационното движение продължава, което води до състояния на стъклото, при които частиците се групират, за да образуват локални структури с подобна ориентация", обяснява Цумбуш.
Това, което изследователите са нарекли течно стъкло, е резултат от това, че тези клъстери взаимно си пречат и опосредват характерни пространствени корелации на далечни разстояния. Те предотвратяват образуването на течен кристал, който би бил подредено изцяло състояние на материята, очаквано от термодинамиката.
Положението и ориентацията на елипсоидни частици в клъстери от течно стъкло. Кредит: Research groups of Professor Andreas Zumbusch and Professor Matthias Fuchs
Два конкуриращи се стъклени прехода
Това, което изследователите наблюдават, всъщност са два конкуриращи се фазови преходи на стъклото - подредена фазова трансформация и неравновесна фазова трансформация - взаимодействащи помежду си.
„Това е невероятно интересно от теоретична гледна точка“, коментира Матиас Фукс, професор по теория на кондензираната материя в Университета в Констанц и също водещ автор в статията.
"Нашите експерименти предоставят доказателства за взаимодействието между критичните флуктуации и застиването на стъклото, което научната общност търсила от доста време". Предсказанието за течно стъкло остава теоретично предположение в продължение на двадесет години.
По-нататък резултатите предполагат, че подобна динамика може да работи и в други системи за формоване на стъкло и по този начин може да помогне да се хвърли светлина върху поведението на сложни системи и молекули, вариращи от много малки (биологични) до много големи (космологични). Той също така потенциално влияе върху разработването на устройства на течни кристали.
Справка: Jörg Roller et al. Observation of liquid glass in suspensions of ellipsoidal colloids, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2018072118
Източник: Researchers report new state of matter described as 'liquid glass', University of Konstanz
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари