Hvad stopper strømninger i glasagtige materialer?

Briller har en væskelignende uordnet struktur, men faststoflignende mekaniske egenskaber. Dette fører til et af brillernes centrale mysterier:Hvorfor flyder de ikke som væsker? Dette spørgsmål er så vigtigt, at det blev udvalgt af tidsskriftet Videnskab i 2005 som en af ​​125 nøgler, ubesvarede videnskabelige spørgsmål, og et af 11 uløste vigtige fysiske problemer.

Vi kan næsten ikke observere atomernes bevægelser i en skala på ~ 0,1 nanometer og en ~ 1 nanosekund tidsskala. Heldigvis, imidlertid, videnskabsmænd har fundet ud af, at kolloide systemer har lignende faseadfærd som atomsystemer. Kolloider betragtes som store "atomer", der afslører mikroskopiske oplysninger om faseovergange, der ikke let kan opnås fra atomiske materialer.

I det seneste årti, kolloide briller har vakt stor interesse, resulterer i adskillige vigtige opdagelser. Imidlertid, de fleste af disse undersøgelser handler om sfæriske partikler, der har tendens til at danne lokale eller mellemlange krystallinske strukturer. Desværre, sådanne undersøgelser er ikke bredt anvendelige, da de fleste glas ikke er sammensat af kugler og ikke har nogen krystallinsk struktur.

For at imødegå dette problem, forskere fra Institute of Mechanics ved det kinesiske videnskabsakademi og Hong Kong University of Science and Technology har for nylig udført eksperimentelle undersøgelser for første gang på glasagtige systemer sammensat af ikke-sfæriske partikler.

Forskerne fandt ud af, at monolagene af monodisperse ellipsoider er gode glasdannere og ikke danner lokale krystallinske strukturer. Dermed, de giver et ideelt og generelt system til at detektere den strukturelle oprindelse af langsommende dynamik, når glasovergangen nærmes.

Faktisk, glasdannere har stærke dynamiske heterogeniteter, dvs. nogle regioner bevæger sig hurtigt og nogle bevæger sig langsomt. Disse resultater viser, at strukturer med lav strukturel entropi svarer godt til langsom dynamik, hvorimod hurtigt afslappende (flydende) regioner har høj strukturel entropi.

I glas sammensat af sfæriske partikler, nogle polyedriske strukturer blev normalt betragtet som ansvarlige for den langsomme dynamik. Imidlertid, en type polyeder findes kun i visse sfæresystemer. Strukturel entropi måler niveauet af uorden i en struktur, herunder forskellige specifikke lokale strukturer, f.eks. virøse polyedre, der findes i systemer sammensat af kugler. Så, den lave strukturelle entropi er et generelt strukturelt træk ved langsom dynamik i glasagtigt stof, som holder i systemer sammensat af kugler og ikke-kugler.

Ud over, forskerne observerede Ising-lignende kritisk adfærd ved et ideelt glasovergangspunkt i både statiske strukturer og langsom dynamik. Sådan adfærd er et kvantitativt træk ved termodynamisk overgang, der forklarer, om glasovergang er rent dynamisk eller termodynamisk (strukturel), da der ikke er bestillingsstrukturer i glas.

"Observationen af ​​kritisk adfærd i ellipsoide glas giver meget mere solidt kvantitativt bevis på den termodynamiske karakter af glasovergang, " sagde Wang Yuren, tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Resultaterne kaster nyt lys over både glasteoriens mysterier og design af materialer med høj stabilitet og glasdannende evne."