Øer med samarbejdende atomer marmelade som isflager, når en væske bliver som glas

Vi lærer i skolen, at sagen kommer i tre stater:solid, væske og gas. En kedelig og klog elev (vi har alle mødt en) spørger derefter nogle gange om glas er et fast stof eller en væske.

Eleven har en pointe. Briller er mærkelige "faste væsker", der afkøles så hurtigt, at deres atomer eller molekyler sidder fast, inden de organiserer sig i de regelmæssige mønstre af et krystallinsk fast stof. Så et glas har de mekaniske egenskaber af et fast stof, men dets atomer eller molekyler er uorganiserede, som dem i en væske.

Et tegn på det underlige ved glas er, at overgangen fra væske til et glas er meget fuzzier end overgangen fra væske til krystallinsk fast stof. Faktisk, glasovergangen er vilkårligt defineret som det punkt, hvor det glasdannende materiale har en viskositet på 1013 poise. (Viskositeten af ​​vand ved stuetemperatur er ca. 0,01 poise. En tyk olie kan have en viskositet på ca. 1,0 poise.) På dette tidspunkt, den er for tyk til at flyde og opfylder derfor den praktiske definition af et fast stof.

Forskere hader definitioner så vage, men de er blevet hængende med denne, fordi ingen virkelig forstod glasovergangen, som ofte kommer på lister over top-10 uløste problemer inden for fysik.

For det meste, forskere har kun kunnet måle bulkegenskaber af glasdannende væsker, såsom viskositet og specifik varme, og de fortolkninger, de kom med, hang delvist sammen med de målinger, de tog. Glaslitteraturen er notorisk fuld af modstridende fund, og workshops om glas er stedet for livlig debat.

Men i de sidste femten år, nye eksperimentelle opsætninger, der spreder røntgenstråler eller neutroner fra atomerne i en dråbe væske, der holdes uden en beholder (som ville få det til at krystallisere), har endelig givet forskere mulighed for at måle væskens atomare egenskaber. Og det er det niveau, hvor de formoder, at hemmelighederne ved glasovergangen er skjult.

I en sådan undersøgelse, Ken Kelton, Arthur Holly Compton -professor i kunst og videnskab ved Washington University i St. Louis, og hans forskerhold (Chris Pueblo, Washington University og Minhua Sun, Harbin Normal University, Kina) sammenlignede et mål for samspillet mellem atomer for forskellige glasdannende væsker. Deres resultater, udgivet online i Naturmaterialer , forene flere mål for glasdannelse, et tegn på at de er på rette vej.

"Vi har vist, at begrebet skrøbelige og stærke væsker, som blev opfundet for at forklare, hvorfor viskositeten ændres på markant forskellige måder, efterhånden som en væske afkøler, går faktisk meget dybere end bare viskositeten, "Sagde Kelton." Det er i sidste ende relateret til frastødningen mellem atomer, hvilket begrænser deres evne til at bevæge sig i samarbejde. Det er derfor, sondringen mellem skrøbelige og stærke væsker også forekommer i strukturelle egenskaber, elastiske egenskaber og dynamik. De er alle bare forskellige manifestationer af den atomare interaktion. "

Dette er første gang, at forbindelsen mellem viskositet og atomiske interaktioner er blevet demonstreret eksperimentelt, han sagde. Spændende nok, hans undersøgelser og arbejde af andre tyder på, at glasovergangen ikke begynder ved den konventionelle glasovergangstemperatur, men snarere ved en temperatur, der er cirka to gange højere i metalliske glas (mere end to gange højere i silikatglas, f.eks. vinduesglas). Det er på det tidspunkt, Kelton sagde, atomerne begynder først at bevæge sig kooperativt.

Boring ned til atomniveau

Keltons seneste opdagelser følger tidligere undersøgelser af en egenskab ved glasdannende væsker kaldet skrøbelighed. For de fleste mennesker, alle glas er skrøbelige, men for fysikere er nogle "stærke" og andre "skrøbelige".

Sondringen blev først introduceret i 1995 af Austen Angell, professor i kemi ved Arizona State University, der mente, at et nyt udtryk var nødvendigt for at fange dramatiske forskelle i måden, hvorpå en væskes viskositet stiger, når den nærmer sig glasovergangen.

Nogle væskers viskositeter ændres gradvist og problemfrit, når de nærmer sig denne overgang. Men da andre væsker afkøles, deres viskositet ændrer sig meget lidt i starten, men tag derefter af som en raket, når overgangstemperaturen nærmer sig.

På det tidspunkt, Angell kunne kun måle viskositet, men han kaldte den første type væske "stærk" og den anden type "skrøbelig", fordi han mistænkte en strukturel forskel, der lå til grund for de forskelle, han så,

"Det er lettere at forklare, hvad han mente, hvis du tænker på, at et glas bliver en væske frem for omvendt, "Kelton sagde." Antag at et glas opvarmes gennem glasovergangstemperaturen. Hvis det er et 'stærkt' system, den 'husker' strukturen, den havde som et glas - som er mere ordnet end i en væske - og det fortæller dig, at strukturen ikke ændrer sig meget gennem overgangen. I modsætning, et 'skrøbeligt' system 'glemmer' hurtigt sin glasstruktur, som fortæller dig, at dens struktur ændrer sig meget gennem overgangen.

"Folk argumenterede for, at ændringen i viskositet skulle relateres til strukturen - gennem flere mellemliggende begreber, hvoraf nogle ikke er veldefinerede, "Tilføjede Kelton." Det, vi gjorde, var at hoppe over disse mellemliggende trin for direkte at vise, at skrøbelighed var relateret til struktur. "

I 2014, han med medlemmer af hans gruppe offentliggjort i Naturkommunikation resultaterne af eksperimenter, der viste, at en glasdannende væskes skrøbelighed afspejles i noget, der kaldes strukturfaktoren, en mængde målt ved at sprede røntgenstråler fra en dråbe væske, der indeholder information om atomernes position i dråben.

"Det var ligesom Angell havde mistanke om, "Kelton sagde." Hastigheden af ​​atomorden i væsken nær overgangstemperaturen afgør, om en væske er 'skrøbelig' eller 'stærk'. "

Skarpe små atomalbuer

Men Kelton var ikke tilfreds. Andre forskere fandt sammenhænge mellem en væskes skrøbelighed og dens elastiske egenskaber og dynamik, samt dens struktur. "Der skal være noget tilfælles, "tænkte han." Hvad er den eneste ting, der kunne ligge til grund for alle disse ting? "Svaret, han troede, måtte være den skiftende tiltrækning og frastødning mellem atomer, da de bevægede sig tættere på hinanden, som kaldes atominteraktionspotentialet.

Hvis to atomer er godt adskilte, Kelton forklarede, der er lidt interaktion mellem dem, og det interatomiske potentiale er næsten nul. Når de kommer tættere sammen, de tiltrækkes af hinanden af ​​forskellige årsager. Den potentielle energi falder, bliver negativ (eller attraktiv). Men da de stadig bevæger sig tættere på, atomernes kerner begynder at interagere, afviser hinanden. Energien skyder helt op.

"Det er den frastødende del af det potentiale, vi så i vores eksperimenter, "Sagde Kelton.

Hvad de fandt, da de målte det frastødende potentiale for 10 forskellige metallegeringer ved Advanced Photon Source, en stråle ved Argonne National Laboratory, er, at "stærke" væsker har stejlere frastødende potentialer, og hældningen af ​​deres frastødende potentiale ændrer sig hurtigere end for "skrøbelige". "Hvad dette betyder, "Sagde Kelton, "er, at 'stærke' væsker bestiller hurtigere ved høje temperaturer end 'skrøbelige'. Det er den mikroskopiske underbygning af Angells skrøbelighed.

"Hvad er interessant, "Kelton fortsatte, "er, at vi ser atomer begynder at reagere kooperativt - viser bevidsthed om hinanden - ved temperaturer, der er omtrent det dobbelte af glasovergangstemperaturen og tæt på smeltetemperaturen.

"Det er her, glasovergangen virkelig starter, "sagde han." Efterhånden som væsken afkøles mere og mere, atomer bevæger sig kooperativt, indtil flåder af samarbejde strækker sig fra den ene side af væsken til den anden og atomerne syltetøj. Men det punkt, den konventionelle glasovergang, er kun slutpunktet for en kontinuerlig proces, der begynder ved en meget højere temperatur. "

Kelton vil snart deltage i en workshop i Polen, hvor han forventer en livlig diskussion af sine fund, hvilket modsiger nogle af hans kolleger. Men han er overbevist om, at han har fat i tråden, der vil føre ud af labyrinten, fordi forskellige forståelsesniveauer begynder at stille op. ”Det er spændende, at tingene kommer så godt sammen, " han sagde.

Briller, briller, overalt

Ken Kelton har forfulgt glasovergangen i mange år både fordi fysikken er interessant og, han tilstår, fordi han simpelthen kan lide væsker og glas. Men når han googler folk, der har citeret hans papirer, finder han ofte, at de arbejder i industrien. Det er fordi der er briller overalt. De fleste af os tænker på glas som vinduesglas eller drikkeglas, men mange fødevarer, medicin og plast er også glas.

Tør spaghetti er hård og sprød, fordi det er et glas. Når det opvarmes i kogende vand, undergår det en overgang til en "gummiagtig" tilstand, der passer godt til rød sauce. Bomuldsslik er et glas fremstillet ved at smelte sukkerkrystaller og derefter spinde smelten ud, så tråde af smeltet sukker "fryser" i form af et glas. Cheetos, rejekiks og tørmælkspulver er alle glas, som mange andre fødevarer.

Lægemiddelvirksomheder bruger ofte spraytørring eller frysetørring for at sikre, at et lægemiddel er glasagtigt frem for krystallinsk. Mange hårde plastmaterialer, såsom polysytren (pakning af jordnødder, engangs barbermaskiner) og polyvinylchlorid (vinylbeklædning, VVS) er også glas.

Industrielle forskere scanner Keltons papirer, fordi de skal kontrollere glasovergangen og omdannelsen af ​​glasset til et krystallinsk fast stof for at give deres produkter ønskelige egenskaber. Lægemidler i glasagtig tilstand opløses generelt bedre i kroppen, så lavere doser er effektive, og nogle lægemidler skal fremstilles som glas, fordi de er uopløselige i deres krystallinske form. Kontrol af glasovergangen er også vigtig i produktionen af ​​plast. Fordi de er glas, hård plast har en "hukommelse" af deres termiske historie, der påvirker deres ydeevne og alder.