Glasovergang møder Fickian-non-Gaussian Diffusion

Glasovergang er en stor udfordring inden for kondenseret stofs fysik og afslører stadig overraskelser på trods af årtiers intens forskning. For eksempel blev diffusion i glasagtige væsker indtil nu anset for at være kvalitativt lig den i konventionelle, "varme" væsker, i det mindste for lange observationstider. Ny forskning offentliggjort i Physical Review Letters demonstrerer, at dette ikke er tilfældet:langtidsdiffusion i glasagtige væsker er faktisk "Fickian yet non-Gaussian" (FnGD), en spændende egenskab, der tidligere er opdaget i komplekse og biologiske væsker. I modsætning til disse systemer bliver FnGD i glasagtige væsker imidlertid dramatisk, når man nærmer sig glasovergangen og ser ud til at være karakteriseret ved universelle skaleringslove. Undersøgelsen, der kombinerer eksperimenter og simuleringer, blev udført af Francesco Rusciano (Ph.D.-studerende), Raffaele Pastore og Francesco Greco ved gruppen af ​​Statistical Mechanics of Soft Materials ved University of Napoli Federico II.

Problemet med glasovergang

Efter årtiers eksperimentelle og teoretiske indsats fra et bredt videnskabeligt samfund er glasovergangen stadig et stort åbent spørgsmål inden for kondenseret stof og komplekse systemer, som det fremgår af Nobelprisen, der for nylig blev tildelt Giorgio Parisi, en af ​​de førende personer inden for området. dette emne. Men hvad er et glas? Kort fortalt, når en molekylær væske hurtigt afkøles til under dens smeltetemperatur, kan krystallisation undgås. I denne tilstand får selv beskedne temperaturfald imidlertid viskositeten til at stige i størrelsesordener og til sidst føre til "glas", et materiale, der er mekanisk fast, men alligevel bevarer den uordnede mikroskopiske struktur, der er typisk for en væske. Glasovergang udfordrer således en grundlæggende antagelse i kondenseret stof, nemlig at den mikroskopiske struktur og den mekaniske respons af et materiale er tæt forbundet. Interessant nok har det vist sig, at glasovergangen ikke kun er et privilegium for molekylære væsker, men det forekommer også i andre systemer, såsom kolloide suspensioner med stigende koncentration. Mens udviklingen af ​​en omfattende teori for forglasning endnu er et spørgsmål om aktiv debat, er det nu klart, at en vigtig rolle spilles af tilstedeværelsen af ​​dynamisk heterogenitet, dvs. den langvarige sameksistens af klynger af hurtige og langsomme- bevægelige partikler. Glasagtige væsker betragtes faktisk som en paradigmatisk model for dynamisk heterogenitet.

Fickian ikke-Gaussisk diffusion

Mens glasovergang er et langvarigt problem, er FnGD et meget nyere. Partikeldiffusion i konventionelle væsker og i mange andre systemer er karakteriseret ved en partikelmiddelkvadratforskydning (MSD) stigende lineært i tid (fickian) og af en Gaussisk forskydningsfordeling, som forudsagt af Einsteins berømte arbejde om Brownsk bevægelse og dens fortolkning mht. tilfældig gåtur. I nogle systemer, såsom fibernetværk eller porøse materialer, viser sig diffusion imidlertid at være ikke-fiksk og ikke-gaussisk og betegnes derfor "anomal diffusion". På grund af disse observationer blev Fickian og Gaussisk adfærd antaget at forekomme sammen eller slet ikke at forekomme.

Denne almindelige forventning blev knækket i 2009 af banebrydende eksperimenter ved Granicks gruppe (University of Urbana, Illinois), der afslørede eksistensen af ​​en ny type diffusion, der samtidig er fiksk, men ikke-Gaussisk. Siden dets opdagelse i biologiske væsker, er FnGD blevet fundet i en lang række systemer af blødt stof, men dets forståelse er stadig uhåndgribelig. Imidlertid er fremkomsten af ​​FnGD generisk forbundet med en eller anden strukturel eller dynamisk heterogenitet af miljøet, hvor partikler bevæger sig.

Fickisk ikke-Gaussisk diffusion i glasagtige væsker

Den udbredte kombination af heterogenitet og FnGD motiverede forskerne ved University of Napoli Federico II til at søge efter den mulige forekomst af FnGD i glasdannende væsker, indbegrebet af dynamisk heterogenitet, ved at trække på eksperimenter på kolloide suspensioner og simuleringer af molekylære væsker. Undersøgelsen viser, at FnGD ikke kun er til stede i glasagtige væsker, men det bliver også meget markant og langtidsholdbart, når man nærmer sig glasovergangen. Undersøgelsen viser også, at universelle magtlove fanger forholdet mellem tidsskalaerne for indtræden af ​​Fickianitet og for genoprettelse af Gaussianitet, såvel som tidsafhængigheden af ​​de eksponentielle haler af forskydningsfordelingerne.

Samlet set åbner disse resultater vejen for en krydsbefrugtning af ideer mellem de to spørgsmål om FnGD og glasovergang. På den ene side er FnGD nøglen til at forstå langtidsdiffusion i glasagtige væsker og til at gense veletablerede koncepter, som for dynamisk heterogenitet. På den anden side kan den stærke signatur af FnGD, der netop er fundet i glasagtige væsker, sandsynligvis repræsentere et benchmark for fremtidige studier af FnGD i andre systemer. + Udforsk yderligere

Udfordrer Einsteins billede af Brownsk bevægelse