Undersøgelser af amorf is afslører skjult orden i glas

En ny undersøgelse udfordrer forestillingen om, at glassets atomstruktur ikke kan skelnes fra væskens - i hvert fald for en bestemt slags glas kaldet "amorf is", der dannes, når vand afkøles til meget lave temperaturer.

I undersøgelsen, forskere ved Princeton University og City University of New York brugte computersimuleringer til at vise, at vandmolekylerne i amorf is er arrangeret i en tidligere uopdaget rækkefølge, som den originale væske ikke indeholdt. Fundet, offentliggjort 29. september i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , kan hjælpe med at forklare vand er nysgerrig, livgivende egenskaber. Det udfordrer også selve definitionen på, hvad det vil sige at være et glas.

Briller fremstilles typisk ved hurtig afkøling af en væske, og, ifølge den nuværende forståelse, et glas arver den rækkefølge, der var til stede i den originale væske. I tilfælde af amorf is, imidlertid, når det flydende vand afkøles, et nyt og velordnet arrangement af molekyler dukker op.

"Ifølge vores resultater, disse typer glas er ikke bare frosne væsker - dette billede holder ikke længere, " sagde Fausto Martelli, en associeret forsker ved Institut for Kemi i Princeton. "Vi siger i det væsentlige, at en forestilling, som forskere har troet på i mange år, delvis er forkert."

Forud for denne undersøgelse, forskere vidste, at den hurtige frysning af vand, som kan forekomme ved ekstremt kolde temperaturer i det ydre rum, fører til dannelse af et meget andet materiale end isen i hverdagens oplevelse. Dette materiale, kendt som amorf is, mangler regelmæssig iss stærkt ordnede krystallinske struktur, førende videnskabsmænd til at kategorisere det som et glas - en væske, hvis bevægelse er aftaget til et glacialt tempo. Amorfe iser er ikke almindelige på Jorden, men de er den mest rigelige form for vand i universet.

Den nye undersøgelse fandt ud af, at molekylerne i disse amorfe is arrangeres i et tidligere uopdaget indre mønster. Dette mønster, kendt som forstyrret hyperuniformitet, defineres som orden over store rumlige afstande, selv når der ikke er orden over korte afstande. Uordnede hyperuniforme materialer falder et sted mellem en krystal, som er meget organiseret over lange afstande, og en væske, som kun bestilles over korte afstande.

"Eksistensen af ​​disse store strukturelle sammenhænge er ikke blevet fuldt ud værdsat, og det var virkelig det, vi ville behandle i denne undersøgelse, "sagde studieforfatter Salvatore Torquato, en professor i kemi, der med Princeton seniorforsker Frank Stillinger, første gang identificeret hyperuniformitet for mere end et årti siden ( Fysisk gennemgang E , 2003). "Oplysningerne i disse systemer er ganske slående, og fører til helt ny indsigt om materialer, "sagde han. Han og hans kolleger har siden identificeret hyperuniformitet flere steder, herunder arrangement af celler i et kyllingøje ( Fysisk gennemgang E , 2014).

Ud over Martelli og Torquato, undersøgelsesforfatterne inkluderede Roberto Car, Princetons Ralph W. Dornte professor i kemi, og Nicolas Giovambattista, en lektor ved Brooklyn College-The City University of New York. Torquato og Car er tilknyttet Princeton Institute for Science and Technology of Materials.

At udforske den indre struktur af amorfe is, Martelli brugte en computermodel, der sporer adfærden hos over 8, 000 vandmolekyler for at simulere, hvad der ville ske, hvis han afkølede vandet til omkring 80 grader Kelvin (ca. -316 grader Fahrenheit). Ved denne temperatur, vandmolekyler er så frataget varme, at de ikke længere kan bevæge sig fra sted til sted, heller ikke rotere på plads. Ved denne temperatur og derunder, forskerne observerede, at det hyperuniforme mønster dukkede op i dataene fra computersimuleringen.

"Vi er ikke vant til at lede efter orden på så store længder, "Sagde Martelli." Dog, matematik giver os mulighed for at kaste lys over mønstre, som vores øjne ikke er i stand til at se. "

Simuleringerne krævede måneders tid på højtydende forskningscomputere, herunder Princeton Universitys TIGRESS -klynger gennem Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

Simuleringen gjorde det muligt for forskerne at stille spørgsmål om vandets natur, som har mange uregelmæssige adfærd, der gør det unikt egnet til at understøtte livet. En sådan anomali er, at den krystallinske form for is er mindre tæt end flydende vand, lader is flyde, hvilket igen tillader liv at eksistere under isen i søer og oceaner.

En mulig forklaring på vandets anomalier er, at ved meget kolde temperaturer, vand kan komme i to flydende faser - den ene tættere end den anden - frem for bare den ene flydende tilstand, vi finder kendt. Detektering af vandets overgang mellem højdensitets- og lavdensitetsformerne har vist sig at være uhåndgribelig på grund af tekniske udfordringer.

Den nuværende undersøgelse giver indirekte støtte til eksistensen af ​​de to former, i hvert fald i computersimuleringer. Giovambattista simulerede anvendelsen af ​​højtryk til modellen og observerede, at trykket konverterede lavdensitetsformen af ​​amorf is til en højdensitetsform. Overgangen mellem de to former for amorf is er i overensstemmelse med eksistensen af ​​to flydende former for vand.

Forståelse af den lang rækkefølge, der findes i amorfe materialer, er et aktivt studieområde, fordi udnyttelse af hyperensartethed kan føre til praktiske anvendelser. Hyperuniformiteten i amorft silicium kan muliggøre nye måder at indstille elektroniske egenskaber på. Evnen til at manipulere et materiales hyperuniform lange rækkefølge kan hjælpe forskere med at bygge stærkere keramik eller glas, der holder længere.

Amorfe is kan produceres i laboratorieindstillinger, Martelli sagde, og det kan være muligt at finde tegn på hyperuniformitet i disse forsøg.