Bryder lokal symmetri - hvorfor vand fryser, men silica danner et glas

Alle ved, at vand fryser ved 0 grader C. Livet på Jorden ville være meget anderledes, hvis dette ikke var tilfældet. Imidlertid, vandets fætter, silica, udviser egensindig adfærd, når den afkøles, der længe har forsket forskere.

I modsætning til vand, silica (SiO ₂ ) fryser ikke let. Når flydende silica afkøles, dens atomer formår ikke at ordne sig i en ordnet krystal. I stedet, når temperaturen falder, den flydende tilstand overlever selv langt under den nominelle frysetemperatur. Dette fænomen kaldes superkøling. Til sidst, atomer er simpelthen låst på plads, uanset hvor de er, bevarer væskens strukturelle lidelse. Den resulterende frosne tilstand af stof - mekanisk fast, men mikroskopisk væskelignende-er et glas.

Silica's præference for glasdannelse har store konsekvenser, da det er blandt de mest udbredte forbindelser på Jorden. På nogle måder, silica og vand er ens - de har lignende koordineringsgeometrier med tetraedrisk symmetri, og begge viser en usædvanlig tendens til at blive mindre tæt under en bestemt temperatur ved afkøling, men mere flydende ved tryk. De viser endda analoge krystalstrukturer, når silica kan lokkes til frysning.

For nylig, forskere ved University of Tokyos Institute of Industrial Science afslørede vitale spor om, hvorfor vand og silica divergerer så stærkt, når de bliver kolde. I en undersøgelse offentliggjort i PNAS , deres simuleringer afslørede indflydelsen af ​​det lokale symmetriske arrangement af atomer i flydende tilstand på krystallisation. Det viser sig, at atomerne arrangeres ordentligt i vand, mens de ikke er i silica.

Når væsker afkøles, orden stammer fra tilfældighed, som atomerne samles til mønstre. Set fra ethvert individuelt atom, en række koncentriske skaller dukker op, når naboerne samles. I både vand og silica, den første skal (omkring hvert O- eller Si -atom, henholdsvis) er tetraedrisk i form - et tilfælde af orienteringsordning, eller "symmetribrud." Hovedforskellen er den anden skalstruktur. For vand, det er stadig ordnet ordentligt med orienteringsorden, men for silica, den anden skal smøres tilfældigt rundt med lidt orienteringsorden.

"I vand, de lokalt bestilte strukturer er forstadier til is; det er, tetraedrale krystaller af H2O, "forklarer medforfatter Rui Shi." Den orienterende rækkefølge, eller rotationssymmetri bryder, i flydende tilstand forklarer, hvorfor vand fryser så let. I superafkølet silica, imidlertid, manglen på orienteringsordning forhindrer krystallisering, hvilket resulterer i let glasdannelse. Med andre ord, rotationssymmetrien er sværere at bryde i silica's væskestruktur, og med mindre orienteringsorden. "

Forskerne forklarer denne forskel ved at sammenligne bindingen i de to stoffer. Vand består af individuelle H2O -molekyler, holdt sammen af ​​stærke kovalente bindinger, men interagerer via svagere hydrogenbindinger. Den stabile molekylære struktur af vand begrænser atomernes frihed, resulterer i høj orienteringsorden i vand. Silica, imidlertid, har ingen molekylær form, og atomer er derved bundet på en mindre retningsbestemt måde, fører til dårlig orienteringsorden.

"Vi viste, at de makroskopiske forskelle mellem vand og silica stammer fra den mikroskopiske verden af ​​binding, "siger den tilsvarende forfatter Hajime Tanaka." Vi håber at udvide dette princip til at omfatte andre stoffer, såsom flydende kulstof og silicium, der strukturelt ligner vand og silica. Det endelige mål er at udvikle en generel teori om, hvordan glasformere adskiller sig fra krystalformere, hvilket er noget, der hidtil har undgået forskere. "