Подтверждено новое состояние вещества — «жидкое стекло».

Технологии

Исследователи из Университета Констанца сообщают о новом состоянии вещества, описанном как «жидкое стекло», с неизвестными до сих пор структурными элементами. Это открытие проливает свет на старую научную проблему о природе стекла и его переходных состояниях.

Хотя стекло является повсеместным материалом, который мы используем каждый день, это все еще большая научная загадка. Истинная природа стекла остается неясной, и научные исследования его химических и физических свойств все еще продолжаются. В химии и физике термин стекло сам по себе является изменчивым понятием — он включает в себя вещество, которое мы знаем как оконное стекло, но также может относиться к ряду других материалов, свойства которых объясняются стеклоподобным поведением — такими материалами, например, являются: металлы, пластмассы, белки и даже биологические клетки.

Стекло совсем не прочное, хотя и производит такое впечатление. Обычно, когда материал превращается из жидкости в твердое тело, молекулы располагаются так, чтобы образовать кристаллический узор. В стекле этого не происходит. Вместо этого молекулы эффективно «застывают» на месте до того, как произойдет кристаллизация. Это странное и неупорядоченное состояние характерно для стекла в различных системах, и ученые все еще пытаются выяснить, как именно образуется такое метастабильное состояние.

Исследование, проведенное профессором Андреасом Зумбушем (факультет химии) и профессором Маттиасом Фуксом (факультет физики), базирующихся в Университете Констанца, добавляет еще один уровень сложности к загадке стекла. Используя модельную систему, включающую суспензии специально изготовленных эллипсоидных коллоидов, исследователи обнаружили новое состояние вещества — жидкое стекло, в котором отдельные частицы могут двигаться, но не могут вращаться. Такое сложное поведение никогда не наблюдалось с неплотным стеклом.

Коллоидные суспензии — это смеси или жидкости, которые содержат твердые частицы размером микрометра (одна миллионная метра) или более, они больше, чем атомы или молекулы, и поэтому подходят для исследования с помощью оптической микроскопии. Они популярны среди ученых, изучающих стеклование, поскольку содержат многие явления, характерные для других стеклообразующих материалов.

Положение и ориентация эллипсоидных частиц в кластерах жидкого стекла
(иллюстрация: исследовательские группы профессора Андреаса Зумбуша и профессора Маттиаса Фукса)

На сегодняшний день большинство экспериментов с коллоидными суспензиями основаны на сферических коллоидах. Однако большинство природных и технических систем состоят из частиц несферической формы. Используя химию полимеров, команда под руководством Андреаса Цумбуша создает маленькие пластиковые частицы, растягивая и охлаждая их, пока они не достигнут эллипсоидальной формы, а затем помещая их в подходящий растворитель.

«Из-за своей разной формы наши частицы имеют ориентацию — в отличие от сферических частиц, которая порождает совершенно новые и неизученные типы сложного поведения», — объясняет Андреас Замбуш, профессор физической химии и старший автор исследования.

Затем ученые изменили концентрацию частиц в суспензиях и наблюдали как поступательное, так и вращательное движение частиц с помощью конфокальной микроскопии.

«При определенных плотностях частиц ориентационное движение замирает, а поступательное движение продолжается, что приводит к состояниям стекла, в которых частицы группируются вместе, образуя локальные структуры с аналогичной ориентацией», — говорит профессор Замбуш.

То, что исследователи назвали жидким стеклом, является результатом взаимного разделения этих кластеров и посредничества характерных дальнодействующих пространственных корреляций. Они предотвращают образование жидкого кристалла, который был бы упорядоченным состоянием вещества, ожидаемым термодинамикой.

Фактически, исследователи наблюдали два конкурирующих стеклования — регулярное фазовое превращение и неравновесное фазовое превращение, взаимодействующие друг с другом.

«Это невероятно интересно с теоретической точки зрения», — сказал Маттиас Фукс, профессор теории конденсированного состояния в Университете Констанца и второй старший автор исследования

«Наши эксперименты предоставляют доказательства взаимодействия между критическими флуктуациями и остановкой стекол, к чему научное сообщество давно стремилось».

Жидкое стекло оставалось теоретическим предположением в течение двадцати лет.

Результаты исследования предполагают, что аналогичная динамика может иметь место и в других системах стеклообразования. Оно может пролить свет на поведение сложных систем и молекул, от очень маленьких (биологических) до очень больших (космологических). Исследование также может повлиять на разработку жидкокристаллических устройств.

 

Оцените статью
DailyNet
Добавить комментарий