En fascinerende faseovergang fra en flydende tilstand til en anden

Et hold ved University of Tokyo har i hidtil uset detaljer beskrevet det sjældne fænomen med væske-til-væske faseovergange i et rent stof. Ved at vise, hvordan en væske lavet af kun én type molekyle kan skifte mellem flydende og glasagtig tilstand, denne forskning kan føre til en ny måde at kontrollere en væskes transportegenskaber på.

Faseovergange omfatter sådanne fænomener som issmeltning (fast til flydende), eller damp, der kommer fra en tekedel (væske til gas). Imidlertid, undersøgelsen af, hvordan et arrangement af molekyler ændres til et andet, afslører komplekse detaljer om styrken af ​​deres interaktioner. I konventionelle faseovergange, som med en jernstang, der smelter til smeltet metal, tilført varme får atomerne til at vibrere så voldsomt, at de bryder fri af deres faste gitterarrangement og antager flydende form. Holdet ved University of Tokyo studerede en meget sjældnere type faseovergang:fra en flydende tilstand til en anden. I denne forskning, de fandt ud af, at selv uden at ændre temperaturen, relativt fritflydende triphenylphosphit kunne gradvist forglasses til en glasagtig tilstand, hvor molekylerne forbliver uordnede, men er meget mindre mobile. De forskellige faser kunne identificeres eksperimentelt baseret på, hvor hurtigt molekylerne kunne slappe af efter at være blevet forstyrret.

"I modsætning til intuitionen, der er en voksende mængde eksperimentelle og teoretiske beviser for, at selv et enkelt-komponent stof kan have flere flydende tilstande, " siger hovedforfatter Hajime Tanaka. De fandt ud af, at faseovergangen kan forekomme på to meget forskellige måder. Den første kaldes "kernedannelse og vækst, " en langsom proces, der kræver fremkomsten af ​​en fase i den anden, der overvinder en barriere for at komme i gang. Den anden type er spinodal nedbrydning, hvor overgangen kan forløbe gnidningsløst uden nogen barriere. Forskerne opdagede også en kritisk temperatur, over hvilken kun kernevækst kunne forekomme, men under denne temperatur, spinodal nedbrydning var mulig.

"Fra et praktisk synspunkt, triphenylphosphit kan være et af de bedste systemer til at studere væske-til-væske overgange, da omdannelsen finder sted ved omgivelsestryk og moderate temperaturer, " siger førsteforfatter Ken-ichiro Murata. "Faseovergange, især dem, der involverer en ændring fra en flydende til en glasagtig tilstand, bruges ofte til fremstilling af polymerer. Denne forskning kan i høj grad forbedre vores evne til at optimere og kontrollere disse processer."

Undersøgelsen er publiceret i PNAS .