Обнаружено скрытое состояние между жидкостью и твердым телом

Стекло, несмотря на то, что выглядит как твердое тело, на самом деле является аморфным твердым веществом с хаотичным расположением частиц, напоминающим застывшую жидкость. Такое состояние вещества, известное как аморфное твердое тело, долгое время озадачивало ученых своими уникальными свойствами. Однако недавние исследования, проведенные в Калифорнийском университете в Беркли, проливают свет на это загадочное состояние, обнаруживая ранее неизвестную перестройку частиц. Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences

Димитриос Фраггедакис, Мухаммад Хасим и Кранти Мандадапу из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что на температурной границе между переохлажденной жидкостью и твердым телом частицы в аморфных твердых телах остаются возбужденными и постоянно перемещаются. Такое поведение, описываемое как "подергивание" на месте, бросает вызов нашему пониманию перехода между жидким и твердым состояниями.

Хотя мы знакомы с тремя основными состояниями материи - твердым, жидким и газообразным, - сложность материи выходит за рамки этих базовых классификаций. При экстремальных температурах атомы могут переходить в состояние плазмы, где их заряды разделяются. И наоборот, при охлаждении частиц до экстремально низких температур они могут терять свою индивидуальность и сливаться в квантовое пятно.

Аморфные твердые тела представляют собой своеобразную смесь хорошо упорядоченных твердых частиц и слабосвязанных жидкостей. В отличие от обычных твердых тел, в которых частицы при низких температурах образуют предсказуемые связи с соседями, аморфные твердые тела имеют неупорядоченную структуру, схожую с жидкостью.

Переход от текучей жидкости к статическому ландшафту в аморфных твердых телах изучен недостаточно хорошо. В качестве примера можно привести стекло: при нагревании входящие в его состав элементы - кислород и кремний - перетекают. При медленном охлаждении эти частицы успевают выстроиться в упорядоченную кристаллическую структуру, называемую кварцем. Однако при быстром охлаждении частицы сохраняют свою неупорядоченность, и стекло превращается в аморфное твердое тело. Температура, при которой происходит этот переход, называется температурой начала плавления.

Чтобы раскрыть тайны аморфных твердых тел, Фраггедакис, Хасим и Мандадапу использовали вычисления, моделирование и результаты прошлых экспериментов. Полученные ими результаты свидетельствуют о том, что переход между жидким и переохлажденным состояниями может быть не таким простым, как считалось ранее. Они предлагают особую активность частиц, возникающую между обычным жидким и переохлажденным состояниями, которая объясняет поведение переохлажденных жидкостей вблизи начальной температуры.

"Наша теория предсказывает температуру наступления температуры, измеренную в модельных системах, и объясняет, почему поведение переохлажденных жидкостей вблизи этой температуры напоминает твердые тела, хотя их структура такая же, как у жидкости", - поясняет Мандадапу.

Понятие температуры начала стеклообразной динамики сродни температуре плавления, при которой переохлажденная жидкость переходит в жидкое состояние. Это открытие имеет широкое значение для понимания всех переохлажденных жидкостей и стеклообразных систем.

Это прорывное исследование не только углубляет наше понимание аморфных твердых тел, но и подчеркивает сложность и богатство материи за пределами трех фундаментальных состояний. Раскрывая скрытое поведение частиц на границе между жидким и твердым состояниями, ученые прокладывают путь к прогрессу в материаловедении и инженерии.