Возможно, обнаружено скрытое состояние между жидкостью и твердым телом

Стекло может выглядеть и ощущаться как идеально упорядоченное твердое тело, но вблизи его хаотичное расположение частиц больше напоминает беспорядочный беспорядок свободно падающей жидкости, замороженной во времени.

Известные как аморфные твердые тела, материалы это состояние не поддается простому объяснению. Новые исследования, включающие вычисления и моделирование, дают подсказки. В частности, это предполагает, что где-то между жидким и твердым состояниями происходит своего рода перегруппировка, о существовании которой мы даже не подозревали.

По мнению ученых Димитриоса Фраггедакиса, Мухаммада Хасима и Кранти Мандадапу из Калифорнийского университета , Беркли, на температурной границе переохлажденных жидкостей и твердых тел наблюдается такое поведение, при котором статические частицы остаются возбужденными, «дергаясь» на месте.

Мы в значительной степени знакомы с тремя фундаментальными состояниями материи в повседневной жизни. : твердое тело, жидкость и газ или пар. Каждый из них определяется отношениями между их частицами и окружением.

Когда один из них превращается в другой – например, твердое тело плавится в жидкость или жидкость испаряется в газ – это называется переход состояний.

Но материя гораздо сложнее, чем просто эти три основных состояния. Например, атомы могут стать настолько горячими, что их заряды разлетятся, образуя плазму. При охлаждении некоторые классы частиц могут полностью потерять свою идентичность и раствориться в квантовом размытии.

Аморфные твердые тела представляют собой странную смесь хорошо упорядоченных твердых тел и слабосвязанных жидкостей. В то время как частицы внутри твердых тел имеют тенденцию образовывать предсказуемые связи со своими соседями, когда они закрепляются на месте при достаточно низких температурах, аморфные твердые тела имеют неупорядоченное расположение жидкости.

Как эти, казалось бы, случайные соединения переключаются с вязких потоков движение молекул в статический ландшафт далеко не очевидно.

В качестве наиболее знакомого примера можно привести стекло: его составные элементы — кислород и кремний — текут при нагревании. Медленно охлаждаясь, эти частицы успевают сформироваться в упорядоченную кристаллическую структуру, называемую кварцем. Если он быстро остывает, частицы каким-то образом сохраняют беспорядочное расположение; это точка, в которой оно становится аморфным твердым телом, а температура, при которой это происходит, является начальной температурой.

Фраггедакис, Хасим и Мандадапу использовали расчеты и моделирование в сочетании с результатами прошлых экспериментов, чтобы определить, что этот переход может быть не таким аккуратным, характеризующимся особой активностью частиц, находящихся между их обычным жидким и переохлажденным состояниями.

«Наша теория предсказывает начальную температуру, измеренную в модельных системах, и объясняет, почему поведение Переохлажденные жидкости около этой температуры напоминают твердые тела, хотя их структура такая же, как у жидкости», — объясняет Мандадапу.

«Температура начала стеклообразной динамики подобна температуре плавления, которая «плавит» переохлажденную жидкость в жидкость. Это должно относиться ко всем переохлажденным жидкостям или стеклообразным системам.»

Хотя общий поток атомов в переохлажденной жидкости практически бесполезен, частицы, застряв на месте, постоянно меняют свою конфигурацию, что приводит к движениям, называемым возбуждением. Исследователи рассматривали эти возбуждения в двумерной переохлажденной жидкости как дефекты в кристаллическом твердом теле и рассчитали, что происходит при изменении температуры.

Они обнаружили, что связанные пары возбуждений становятся несвязанными при начальной температуре, в результате чего материал потерять свою жесткость и вести себя как обычная жидкость.

Команда считает, что их модель можно расширить, чтобы понять, как работает переход и в трех измерениях, и предложить теоретическую основу для будущих экспериментальных работ.

«Вся задача состоит в том, чтобы понять с помощью микроскопа, что разделяет переохлажденную жидкость и жидкость, имеющую высокую температуру», — говорит Мандадапу.

«С точки зрения фундаментальной науки интересно исследовать, почему эти переохлажденные жидкости демонстрируют совершенно иную динамику, чем обычные жидкости, которые мы знаем».

Исследование было опубликовано в Трудах Национальной академии наук.