Forskere rapporterer om en ny tilstand af stof beskrevet som flydende glas

Opdagelsen af ​​flydende glas kaster lys over det gamle videnskabelige problem med glasovergangen:Et tværfagligt team af forskere fra University of Konstanz har afsløret en ny tilstand af stof, flydende glas, med hidtil ukendte strukturelle elementer - ny indsigt i glassets natur og dets overgange.

Mens glas er et virkelig allestedsnærværende materiale, som vi bruger på daglig basis, det repræsenterer også en stor videnskabelig gåde. I modsætning til hvad man kunne forvente, glassets sande natur forbliver noget af et mysterium, med videnskabelig undersøgelse af dets kemiske og fysiske egenskaber stadig i gang. I kemi og fysik, udtrykket glas i sig selv er et foranderligt begreb:Det omfatter det stof, vi kender som vinduesglas, men det kan også henvise til en række andre materialer med egenskaber, der kan forklares ved henvisning til glaslignende adfærd, inklusive, for eksempel, metaller, plastik, proteiner, og endda biologiske celler.

Selvom det kan give indtryk, glas er alt andet end konventionelt solidt. Typisk, Når et materiale går fra en flydende til en fast tilstand, stiller molekylerne sig op for at danne et krystalmønster. I glas, dette sker ikke. I stedet, molekylerne fryses effektivt på plads, før krystallisation sker. Denne mærkelige og uordnede tilstand er karakteristisk for briller på tværs af forskellige systemer, og videnskabsmænd forsøger stadig at forstå, hvordan præcis denne metastabile tilstand dannes.

En ny stoftilstand:flydende glas

Forskning ledet af professorerne Andreas Zumbusch (Kemisk Institut) og Matthias Fuchs (Institutt for Fysik), begge baseret på universitetet i Konstanz, har netop tilføjet endnu et lag af kompleksitet til glasgåden. Ved at bruge et modelsystem, der involverer suspensioner af skræddersyede ellipsoide kolloider, forskerne afslørede en ny tilstand af stof, flydende glas, hvor individuelle partikler er i stand til at bevæge sig, men ude af stand til at rotere - kompleks adfærd, som ikke tidligere er blevet observeret i bulkglas. Resultaterne er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Kolloide suspensioner er blandinger eller væsker, der indeholder faste partikler, som ved størrelser på en mikrometer (en milliontedel af en meter) eller mere, er større end atomer eller molekyler og derfor velegnede til undersøgelse med optisk mikroskopi. De er populære blandt videnskabsmænd, der studerer glasovergange, fordi de har mange af de fænomener, der også forekommer i andre glasdannende materialer.

Skræddersyede ellipsoide kolloider

Til dato, de fleste eksperimenter, der involverer kolloide suspensioner, har været baseret på sfæriske kolloider. De fleste naturlige og tekniske systemer, imidlertid, er sammensat af ikke-sfæriske partikler. Ved hjælp af polymerkemi, holdet ledet af Andreas Zumbusch fremstillede små plastikpartikler, strækning og afkøling af dem, indtil de opnåede deres ellipsoide former og placerede dem derefter i et passende opløsningsmiddel. "På grund af deres distinkte former har vores partikler orientering - i modsætning til sfæriske partikler - hvilket giver anledning til helt nye og tidligere ustuderede former for kompleks adfærd, " forklarer Zumbusch, der er professor i fysisk kemi og seniorforfatter på undersøgelsen.

Forskerne fortsatte derefter med at ændre partikelkoncentrationerne i suspensionerne, og sporede både translations- og rotationsbevægelsen af ​​partiklerne ved hjælp af konfokal mikroskopi. Zumbusch siger, "Ved visse partikeltætheder frøs orienteringsbevægelsen, mens translationel bevægelse fortsatte, hvilket resulterede i glasagtige tilstande, hvor partiklerne klynger sig for at danne lokale strukturer med lignende orientering." Hvad forskerne har kaldt flydende glas er et resultat af, at disse klynger gensidigt blokerer hinanden og medierer karakteristiske langtrækkende rumlige korrelationer. Disse forhindrer dannelsen af ​​en væske krystal, som ville være den globalt ordnede tilstand af stof, der forventes fra termodynamikken.

To konkurrerende glasovergange

Hvad forskerne observerede, var faktisk to konkurrerende glasovergange - en regulær fasetransformation og en ikke-ligevægtsfasetransformation - der interagerer med hinanden. "Dette er utrolig interessant set fra et teoretisk synspunkt, siger Matthias Fuchs, professor i teori om blødt kondenseret stof ved universitetet i Konstanz og den anden seniorforfatter på papiret. "Vores eksperimenter giver den slags beviser for samspillet mellem kritiske fluktuationer og glasagtig arrestation, som det videnskabelige samfund har været ude efter i et stykke tid." En forudsigelse af flydende glas havde forblevet en teoretisk formodning i tyve år.

Resultaterne tyder endvidere på, at lignende dynamik kan være på arbejde i andre glasdannende systemer og dermed kan være med til at kaste lys over adfærden af ​​komplekse systemer og molekyler lige fra de helt små (biologiske) til de helt store (kosmologiske). Det påvirker også potentielt udviklingen af ​​flydende krystallinske enheder.