Скло може виглядати і відчуватися як ідеально впорядковане тіло, але зблизька його хаотичне розташування частинок більше нагадує бурхливий безлад вільно падаючої рідини, замороженої в часі.
Відомі як аморфні тверді речовини, матеріали в такому стані не піддаються легкому поясненню . Нові дослідження, що включають обчислення та моделювання, дають підказки. Зокрема, це свідчить про те, що десь посередині між рідким і твердим станами є свого роду перегрупування, про існування якого ми не знали.
За словами вчених Дімітріоса Фраггедакіса, Мухаммада Хасііма та Кранті Мандадапу з Каліфорнійського університету в Берклі, на температурній межі переохолоджених рідин і твердих тіл існує певна поведінка, коли статичні частинки залишаються збудженими, «смикаючись» на місці.
У повсякденному житті ми майже знайомі з трьома основними станами матерії : твердим, рідким і газоподібним або паровим. Кожна з них визначається зв’язками між її частинками та оточуючими.
Коли одне з них змінюється на інше – наприклад, тверда речовина плавиться в рідину або рідина випаровується в газ – це називається переходом стану.
Але матерія є трохи складнішою, ніж просто ці три основні стани. Атоми можуть стати настільки гарячими, що, наприклад, їхні заряди розлітаються, утворюючи плазму. Після охолодження деякі класи частинок можуть взагалі втратити свою ідентичність і злитися в квантове розмиття.
Аморфні тверді речовини – це дивні суміші добре впорядкованих твердих тіл і рідкозв’язаних рідин. Якщо частинки в твердих тілах мають тенденцію утворювати передбачувані зв’язки зі своїми сусідами, коли вони замикаються на місці при відповідних низьких температурах, аморфні тверді тіла мають невпорядковане розташування рідини.
Далеко неочевидно, як ці, здавалося б, випадкові з’єднання переходять від в’язких потоків текучих молекул до статичного ландшафту.
Використовуючи скло як найвідоміший приклад, його складові елементи кисень і кремній течуть при нагріванні. Повільно охолоджуючись, ці частинки встигають сформуватися у впорядковану кристалічну структуру під назвою кварц. Якщо воно швидко охолоджується, частинки якимось чином зберігають невпорядковане розташування; це точка, в якій він стає аморфною твердою речовиною, а температура, при якій це відбувається, є температурою початку.
Фраггедакіс, Хасіім і Мандадапу використовували обчислення та моделювання в поєднанні з результатами минулих експериментів, щоб визначити, що цей перехід може бути не таким чітким, показуючи особливу активність частинок, які перебувають між своїм нормальним рідким і переохолодженим станами.
«Наша теорія передбачає початкову температуру, виміряну в модельних системах, і пояснює, чому поведінка переохолоджених рідин навколо цієї температури нагадує поведінку твердих тіл, навіть якщо їх структура така ж, як у рідини», — пояснює Мандадапу .
«Температура початку склоподібної динаміки схожа на температуру плавлення, яка «плавить» переохолоджену рідину в рідину. Це має бути актуальним для всіх переохолоджених рідин або склоподібних систем».
Попри те, що загальний потік атомів у переохолодженій рідині фактично невдалий, частинки постійно змінюють свою конфігурацію, залишаючись на місці, що призводить до рухів, які називаються збудженнями. Дослідники розглядали ці збудження в двовимірній переохолодженій рідині як дефекти в кристалічному твердому тілі та обчислили, що відбувається зі зміною температури.
Вони виявили, що зв’язані пари збуджень стають незв’язаними при початковій температурі, внаслідок чого матеріал втрачає свою жорсткість і веде себе як звичайна рідина.
Команда вважає, що їхню модель можна розширити, щоб зрозуміти, як перехід працює також у трьох вимірах, і запропонувати теоретичну основу для майбутніх експериментальних робіт.
«Увесь пошук полягає в тому, щоб під мікроскопом зрозуміти, що відрізняє переохолоджену рідину від рідини з високою температурою», — каже Мандадапу .
«Це захоплююче з точки зору фундаментальної науки досліджувати, чому ці переохолоджені рідини демонструють надзвичайно відмінну динаміку від звичайних рідин, які ми знаємо».
