Snyd tid til at se væsker lave den langsomme dans

Hvis du kunne tage et par svømmebriller på, skrumpe dig ned som en karakter fra The Magic School Bus og tag et dybt dyk i en væske, du ville se en skare af molekyler der alle festede som om det var 1999.

Al denne vanvittige vrikning gør det let for molekyler at omarrangere sig selv og for væsken som helhed at ændre form. Men for superafkølede væsker - væsker som honning, der afkøles under deres frysepunkt uden at krystallisere - den lavere temperatur bremser dansen som Etta James "Endelig". Sænk temperaturen nok, og opbremsningen kan være så dramatisk, at det tager århundreder eller endda årtusinder for molekylerne at omarrangere og væsken bevæge sig.

Forskere kan ikke studere processer, der varer længere end deres karriere. Men Duke -kemikere og deres Simons Foundation -samarbejdspartnere har fundet en måde at snyde tid på, simulerer den langsomme dans af dybt underkølede væsker. Langs vejen, de har fundet nye fysiske egenskaber ved "lagrede" underkølede væsker og glas.

For at forstå, hvor langsomt dybt underkølede væsker bevæger sig, overvej verdens længst kørende eksperiment, University of Queenslands Pitch Drop -eksperiment. En enkelt dråbe pitch dannes hvert otte til tretten år - og denne tonehøjde bevæger sig hurtigere end dybt underkølede væsker.

"Eksperimentelt er der en grænse for, hvad du kan observere, for selvom det lykkedes dig at gøre det i hele din karriere, det er stadig maksimalt 50 år, "sagde Patrick Charbonneau, en lektor i kemi og fysik ved Duke. "For mange mennesker blev det betragtet som et hårdt glasloft, ud over hvilken du ikke kunne undersøge adfærden for underkølede væsker. "

Charbonneau, som er ekspert i numeriske simuleringer, sagde, at brug af computere til at simulere adfærden for underkølede væsker har endnu stejlere tidsbegrænsninger. Han vurderer, at i betragtning af den aktuelle computerfremgang, det ville tage 50 til 100 år, før computere ville være stærke nok til, at simuleringer kunne overstige eksperimentelle muligheder - og selv da ville simuleringerne tage måneder.

For at bryde dette glasloft, Charbonneau -gruppen samarbejdede med Ludovic Berthier og hans team, der udviklede en algoritme til at omgå disse tidsbegrænsninger. I stedet for at tage måneder eller år at simulere, hvordan hvert molekyle i en afkølet væske jiggler rundt, indtil molekylerne omarrangeres, algoritmen vælger individuelle molekyler til at bytte sted med hinanden, skabe nye molekylære konfigurationer.

Dette gør det muligt for teamet at udforske nye konfigurationer, der kan tage årtusinder at danne naturligt. Disse "dybt underkølede væsker og ultralagede glas" væsker har en lavere energi, og mere stabil, end nogen tidligere observeret.

"Vi snydte tiden i den forstand, at vi ikke behøvede at følge systemets dynamik, "Sagde Charbonneau." Vi var i stand til at simulere dybt underkølede væsker langt ud over det, der er muligt i eksperimenter, og det åbnede mange muligheder. "

Sidste sommer, holdet brugte denne teknik til at opdage en ny faseovergang i lavtemperaturglas. De offentliggjorde for nylig to yderligere undersøgelser, hvoraf den ene kaster lys over "Kauzmann -paradokset, "et 70-årigt spørgsmål om entropien af ​​underkølede væsker under glasovergangen. Den anden undersøger dannelsen af ​​dampafsatte glas, som har anvendelser inden for lægemiddeltilførsel og beskyttende belægninger.

"Naturen har kun en måde at ækvilibrere, ved bare at følge molekylær dynamik, "sagde Sho Yaida, en postdoktor i Charbonneaus laboratorium. "Men det gode ved numeriske simuleringer er, at du kan finjustere algoritmen for at fremskynde dit eksperiment."