Потвърдиха ново състояние на материята – „течно стъкло”

Стъклото е всичко друго, но не и конвенционално твърдо вещество, категорични са учени
(снимка: CC0 Public Domain)

Изследователи от Университета в Констанц съобщават за ново състояние на материята, описано като „течно стъкло”, с неизвестни досега структурни елементи. Откритието хвърля светлина върху стария научен проблем за  същността на стъклото и неговите преходни състояния.

Макар че стъклото е повсеместен материал, който използваме ежедневно, то все още представлява голяма научна загадка. Истинската природа на стъклото остава неизяснена, а научното изследване на неговите химични и физични свойства все още е в ход. В химията и физиката самият термин стъкло е променлива концепция – той включва веществото, който познаваме като прозоречно стъкло, но може да се отнася и за редица други материали със свойства, които се обясняват с поведение, подобни на стъклото – такива материали са, например, метали, пластмаси, протеини и дори биологични клетки.

Стъклото е всичко друго, но не и конвенционално твърдо, въпреки че създава такова впечатление. Обикновено, когато материалът преминава от течно в твърдо състояние, молекулите се подреждат така, че да образуват кристален модел. В стъклото това не се случва. Вместо това молекулите ефективно „замръзват” на място, преди да се случи кристализация. Това странно и неподредено състояние е характерно за стъклото в различни системи и учените все още се опитват да разберат как точно се образува подобно метастабилно състояние.

Изследванията, ръководени от проф. Андреас Зумбуш (Катедра по химия) и проф- Матиас Фукс (Катедра по физика) – и двамата със седалище в Университета в Констанц, добавят още един слой сложност към стъклената загадка, отбелязва Phys.org. Използвайки моделна система, включваща суспензии от специално изработени елипсоидни колоиди, изследователите откриват ново състояние на материята – течно стъкло, в където отделни частици могат да се движат, но не могат да се въртят. Подобно сложно поведение досега не е било наблюдавано при насипни стъкла.

Колоидните суспензии са смеси или течности, които съдържат твърди частици с размери на микрометър (една милионна част от метър) или повече, те са по-големи от атомите или молекулите и следователно са подходящи за изследване с оптична микроскопия. Популярни са сред учените, изучаващи стъклените преходи, тъй като в тях се срещат много от явленията, характерни и за други стъклообразуващи материали.

Положение и ориентация на елипсоидни частици в клъстери от течно стъкло
(илюстрация: Изследователски групи на проф. Андреас Зумбуш и проф. Матиас Фукс)

Към днешна дата повечето експерименти, включващи колоидни суспензии, разчитат на сферични колоиди. По-голямата част от естествените и техническите системи обаче са съставени от несферични частици. Използвайки полимерна химия, екипът, воден от Андреас Зумбуш, създава малки пластмасови частици, като ги разтяга и охлажда, докато постигнат своите елипсоидни форми и след това ги поставя в подходящ разтворител.

„Поради различните си форми, нашите частици имат ориентация – за разлика от сферичните частици, което поражда изцяло нови и неизследвани досега видове сложно поведение”, обяснява Андреас Зъмбуш, професор по физическа химия и старши автор на изследването.

След това учените променят концентрацията на частици в суспензиите и проследяват както транслационното, така и въртеливото движение на частиците, използвайки конфокална микроскопия. „При определени плътности на частиците ориентационното движение замръзва, докато транслационното движение продължава, което води до стъклени състояния, при които частиците се групират, за да образуват локални структури с подобна ориентация”, разказва проф. Зъмбуш.

Това, което изследователите са нарекли течно стъкло, е резултат от взаимното преграждане на тези клъстери и посредничеството на характерни пространствени корелации с голям обсег. Те предотвратяват образуването на течен кристал, който би бил подреденото състояние на материята, очаквано от термодинамиката.

Всъщност изследователите наблюдават два конкурентни стъклени прехода – редовна фазова трансформация и неравновесна фазова трансформация, взаимодействащи помежду си. „Това е невероятно интересно от теоретична гледна точка”, казва Матиас Фукс, професор по теория на кондензираната материя в Университета в Констанц и втори старши автор на изследването. „Нашите експерименти предоставят доказателства за взаимодействието между критичните колебания и стъкления арест, което научната общност е търсила от доста време”. Течното стъкло остава теоретично предположение в продължение на двадесет години.

Резултатите от изследването предполагат, че подобна динамика може да действа и в други системи за образуване на стъкло. То може да хвърли светлина върху поведението на сложни системи и молекули, вариращи от много малки (биологични) до много големи (космологични). Изследването също така може потенциално да повлияе върху развитието на течните кристални устройства.