Стъклото е всичко друго, но не и конвенционално твърдо вещество,

Стъклото е всичко друго, само че не и стандартно твърдо вещество, безапелационни са учени
(снимка: CC0 Public Domain)

Изследователи от Университета в Констанц оповестяват за ново положение на материята, разказано като „ течно стъкло ”, с незнайни до момента структурни детайли. Откритието хвърля светлина върху остарелия теоретичен проблем за  с ъщността на стъклото и неговите преходни положения.

Макар че стъклото е всеобщ материал, който използваме всекидневно, то към момента съставлява огромна научна мистерия. Истинската природа на стъклото остава неизяснена, а научното проучване на неговите химични и физични свойства към момента е в ход. В химията и физиката самият термин стъкло е променлива идея – той включва веществото, който познаваме като прозоречно стъкло, само че може да се отнася и за редица други материали със свойства, които се изясняват с държание, сходни на стъклото – такива материали са, да вземем за пример, метали, пластмаси, протеини и даже биологични кафези.

Стъклото е всичко друго, само че не и стандартно твърдо, макар че основава такова усещане. Обикновено, когато материалът минава от течно в твърдо положение, молекулите се подреждат по този начин, че да образуват бистър модел. В стъклото това не се случва. Вместо това молекулите дейно „ замръзват ” на място, преди да се случи кристализация. Това необичайно и неподредено положение е особено за стъклото в разнообразни системи и учените към момента се пробват да схванат по какъв начин тъкмо се образува сходно метастабилно положение.

Изследванията, ръководени от проф. Андреас Зумбуш (Катедра по химия) и проф- Матиас Фукс (Катедра по физика) – и двамата със седалище в Университета в Констанц, прибавят още един пласт трудност към стъклената мистерия, отбелязва. Използвайки моделна система, включваща суспензии от особено направени елипсоидни колоиди, откривателите откриват ново положение на материята – течно стъкло, в където обособени частици могат да се движат, само че не могат да се въртят. Подобно комплицирано държание до момента не е било следено 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 затова са подобаващи за проучване с оптична микроскопия. Популярни са измежду учените, учещи стъклените преходи, защото в тях се срещат доста от явленията, присъщи и за други стъклообразуващи материали.

Към днешна дата множеството опити, включващи колоидни суспензии, разчитат на сферични колоиди. По-голямата част от естествените и техническите системи обаче са формирани от несферични частици. Използвайки полимерна химия, екипът, воден от Андреас Зумбуш, основава дребни пластмасови частици, като ги разтяга и охлажда, до момента в който реализиран своите елипсоидни форми и по-късно ги слага в подобаващ разтворител.

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

„ Поради другите си форми, нашите частици имат ориентировка – за разлика от сферичните частици, което поражда напълно нови и неразучени до момента типове комплицирано държание ”, изяснява Андреас Зъмбуш, професор по физическа химия и старши създател на проучването.

След това учените трансформират концентрацията на частици в суспензиите и наблюдават както транслационното, по този начин и въртеливото придвижване на частиците, употребявайки конфокална микроскопия. „ При избрани плътности на частиците ориентационното придвижване замръзва, до момента в който транслационното придвижване продължава, което води до стъклени положения, при които частиците се групират, с цел да образуват местни структури с сходна ориентировка ”, споделя проф. Зъмбуш.
още по тематиката
Това, което откривателите са нарекли течно стъкло, е резултат от взаимното преграждане на тези клъстери и посредничеството на присъщи пространствени корелации с огромен обхват. Те предотвратяват образуването на течен кристал, който би бил подреденото положение на материята, предстоящо от термодинамиката.

Всъщност откривателите следят два конкурентни стъклени прехода – постоянна фазова промяна и неравновесна фазова промяна, взаимодействащи между тях. „ Това е необикновено забавно от теоретична позиция ”, споделя Матиас Фукс, професор по доктрина на кондензираната материя в Университета в Констанц и втори старши създател на проучването. „ Нашите опити дават доказателства за взаимоотношението сред сериозните съмнения и стъкления арест, което научната общественост е търсила от много време ”. Течното стъкло остава теоретично съмнение в продължение на двадесет години.

Резултатите от проучването допускат, че сходна динамичност може да работи и в други системи за формиране на стъкло. То може да хвърли светлина върху държанието на комплицирани системи и молекули, вариращи от доста дребни (биологични) до доста огромни (космологични). Изследването също по този начин може евентуално да повлияе върху развиването на течните кристални устройства.