Ученые предполагают скрытый фазовый переход между жидкостью и твердым телом
Все, что сделано из пластика или стекла, известно как аморфный материал. В отличие от многих материалов, которые замерзают в кристаллические твердые тела, атомы и молекулы в аморфных материалах никогда не складываются вместе, образуя кристаллы при охлаждении. На самом деле, хотя мы обычно думаем о пластике и стекле как о «твердых телах», вместо этого они остаются в состоянии, которое более точно описывается как переохлажденная жидкость, которая течет чрезвычайно медленно.
И хотя эти «стекловидные динамические» материалы повсеместно используются в нашей повседневной жизни, то, как они становятся жесткими в микроскопическом масштабе, долгое время ускользало от ученых.
Теперь исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) обнаружили молекулярное поведение в переохлажденных жидкостях, которое представляет собой скрытый фазовый переход между жидкостью и твердым телом. ИХ работа была опубликована в PNAS.
Их улучшенное понимание применимо к обычным материалам, таким как пластик и стекло, и может помочь ученым разработать новые аморфные материалы для использования в медицинских устройствах, доставке лекарств и аддитивном производстве.
В частности, используя теорию, компьютерное моделирование и предыдущие эксперименты, ученые объяснили, почему молекулы в этих материалах при охлаждении остаются неупорядоченными, как жидкость, пока не совершат резкий поворот в сторону твердого состояния при определенной температуре, называемой начальной температурой. фактически становятся настолько вязкими, что едва двигаются. Это начало жесткости — ранее неизвестный фазовый переход — и есть то, что отличает переохлажденные жидкости от обычных.
«Наша теория предсказывает начальную температуру, измеренную в модельных системах, и объясняет, почему поведение переохлажденных жидкостей при этой температуре напоминает поведение твердых тел, хотя их структура такая же, как у жидкости», — сказал руководитель исследования Кранти Мандадапу из Калифорнийского университета в Беркли.
Любая переохлажденная жидкость постоянно прыгает между несколькими конфигурациями молекул, что приводит к локализованным движениям частиц, известным как возбуждения. В своей предложенной теории Мандадапу, научный сотрудник Димитриос Фрагедакис и аспирант Мухаммад Хасим рассматривали возбуждения в двумерной переохлажденной жидкости, как если бы они были дефектами в кристаллическом твердом теле.
По мере того, как температура переохлажденной жидкости повышалась до начальной температуры, они предполагают, что каждый экземпляр связанной пары дефектов распадается на неограниченную пару. Именно при этой температуре именно освобождение дефектов привело к тому, что система потеряла свою жесткость и начала вести себя как обычная жидкость.
«Начальная температура для стекловидной динамики подобна температуре плавления, при которой переохлажденная жидкость «плавится» в жидкость. Это должно относиться ко всем переохлажденным жидкостям или стеклообразным системам», — сказал Мандадапу.
Теория и моделирование зафиксировали другие ключевые свойства стеклообразной динамики, в том числе наблюдение, что за короткие промежутки времени несколько частиц перемещаются, в то время как остальная часть жидкости остается замороженной.
«Вся задача состоит в том, чтобы под микроскопом понять, что отличает переохлажденную жидкость от высокотемпературной жидкости», — сказал Мандадапу.
Мандадапу и его коллеги считают, что смогут распространить свою модель на 3D-системы. Они также намерены расширить его, чтобы объяснить, как локализованные движения приводят к дальнейшим соседним возбуждениям, приводящим к релаксации всей жидкости. Вместе эти компоненты могут дать непротиворечивую микроскопическую картину того, как возникает стеклянная динамика, которая согласуется с современными наблюдениями.
«С точки зрения фундаментальной науки интересно исследовать, почему эти переохлажденные жидкости демонстрируют совершенно иную динамику, чем обычные жидкости, которые мы знаем», — сказал Мандадапу.
Обсудим?
Смотрите также:
