RW Space

Лед не всегда остается льдом. Даже при температурах значительно ниже точки замерзания его поверхность может быть покрыта пленкой квазижидких атомов, толщина которой обычно составляет всего несколько нанометров.

Процесс ее образования известен как предварительное плавление (или «поверхностное плавление»). тает»), и именно поэтому ваши кубики льда могут слипаться даже в морозильной камере.

Помимо льда, мы наблюдали предварительно расплавленный поверхностный слой в широком диапазоне материалов с кристаллической структурой, таких как атомы внутри расположены в аккуратно упорядоченной решетке, как алмазы, кварц и поваренная соль.

Теперь ученые впервые наблюдали поверхностное плавление вещества, которое находится во внутренних беспорядках: стекла.

Стекло и лед могут выглядеть очень похожими, но часто они сильно различаются в атомном масштабе. Там, где кристаллический лед хорош и опрятен, стекло — это то, что мы называем аморфным твердым телом: у него нет реальной атомной структуры, о которой можно было бы говорить. Наоборот, его атомы просто как бы беспорядочно перемешаны, больше похоже на то, что вы ожидаете увидеть в жидкости.

Это, как и следовало ожидать, значительно затрудняет обнаружение квази -предварительно расплавленная пленка жидкости на поверхности стекла.

Обнаружение этого пленчатого жидкого слоя обычно производится с помощью экспериментов, включающих рассеяние нейтронов или рентгеновских лучей, которые чувствительны к атомному порядку.

Твердый лед заказан; поверхностное плавление меньше. В стекле полный беспорядок, поэтому рассеяние не будет особенно полезным инструментом.

Физики Клеменс Бехингер и Ли Тиан из Констанцского университета в Германии выбрали другой подход. Вместо того, чтобы исследовать кусок атомарного стекла, они создали так называемое коллоидное стекло — суспензию микроскопических стеклянных сфер, взвешенных в жидкости, которая ведет себя как атомы в атомном стекле.

Поскольку сферы в 10 000 раз больше, чем атомов, их поведение можно увидеть непосредственно под микроскопом и, следовательно, изучить более подробно.

С помощью микроскопии и рассеяния Бехингер и Тиан внимательно исследовали их коллоидное стекло, и они выявили признаки поверхностного плавления ; а именно, частицы на поверхности двигались быстрее, чем частицы в объеме стекла под ним.

Это не было неожиданностью. Плотность объемного стекла выше, чем плотность поверхности, а это означает, что у поверхностных частиц буквально больше места для движения. Однако в слое под поверхностью, толщиной до 30 диаметров частиц, частицы продолжают двигаться быстрее, чем объемное стекло, даже когда они достигают плотности объемного стекла.

«Наши результаты показывают, что поверхностное плавление стекол качественно отличается от кристаллов и приводит к образованию поверхностного стекловидного слоя». исследователи пишут в своей статье.

«Этот слой содержит кооперативные кластеры высокоподвижных частиц, которые формируются на поверхности и пролиферируют вглубь материала на несколько десятков диаметров частиц и далеко за пределы области, где плотность частиц достигает насыщения.»

Поскольку поверхностное плавление изменяет свойства поверхности материала, результаты позволяют лучше понять стекло, что чрезвычайно полезно для целого ряда приложений, но также довольно странно.

Например, высокая поверхностная подвижность может объяснить, почему тонкие полимерные и металлические стекловидные пленки имеют более высокую ионную проводимость по сравнению с толстыми пленками. Мы уже используем это свойство в батареях, где эти пленки действуют как ионные проводники.

Более глубокое понимание этого свойства, его причин и способов его возникновения поможет ученым найти оптимальные и даже новые способы его использования.

Исследование команды опубликовано в Nature Communications.