Возможно, между жидкостью и твердым телом обнаружено скрытое состояние.

Стекло может выглядеть как идеально упорядоченное твердое тело, но вблизи его хаотическое расположение частиц больше напоминает турбулентный хаос свободно падающей жидкости, которая со временем затвердевает.

Материалы в этом состоянии, известные как аморфные твердые тела, не поддаются простому объяснению. Новые исследования, включающие вычисления и моделирование, дают подсказки. В частности, это предполагает, что где-то между жидким и твердым состояниями происходит какая-то перегруппировка, о существовании которой мы даже не подозревали.

в соответствии с Ученые Димитриос Врагидакис, Мохамед Хашем и Кранти Мандадапо из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили поведение на температурной границе переохлажденных жидкостей и твердых тел, при котором статические частицы остаются возбужденными и «дергаются» на месте.

В повседневной жизни мы довольно хорошо знакомы с тремя основными состояниями материи: твердым, жидким и газообразным или паром. Каждый из них определяется отношениями между его молекулами и их окружением.

Когда один из этих процессов превращается в другой — например, плавление твердого тела в жидкость или испарение жидкости в газ — это называется метаморфозой.

Но материя несколько сложнее, чем эти три фундаментальных состояния. Например, атомы могут стать настолько горячими, что их заряды испаряются, образуя плазму. При охлаждении некоторые классы частиц могут полностью потерять свою идентичность и слиться в квантовое размытие.

border Frame=»0″allow=»акселерометр; автовоспроизведение; запись в буфер обмена; зашифрованные мультимедиа; гироскоп; картинка в картинке; общий доступ к сети»>allowfullscreen

Аморфные твердые вещества Это странная смесь хорошо организованных твердых тел и сыпучих жидкостей. В то время как частицы внутри твердых тел имеют тенденцию образовывать предсказуемые связи со своими соседями после того, как они зафиксированы на месте при достаточно низких температурах, аморфные твердые тела имеют неравномерное расположение жидкости.

Как эти, казалось бы, случайные связи превратились из вязких потоков текущих молекул в статичное зрелище, далеко не ясно.

Если взять стекло в качестве наиболее распространенного примера, то содержащиеся в нем элементы кислорода и кремния текут при нагревании. При медленном охлаждении эти частицы успевают сформировать организованную кристаллическую структуру, называемую кварцем. При быстром охлаждении молекулы каким-то образом сохраняют беспорядочное расположение; Это момент, когда оно становится аморфным твердым веществом, и температура, при которой это происходит, является начальной температурой.

Врагидакис, Хасим и Мандадапо использовали расчеты и моделирование, а также результаты предыдущих экспериментов, чтобы определить, что этот переход может быть не очень тонким, поскольку он характеризуется особой активностью частиц между их нормальным жидким состоянием и переохлажденным состоянием.

«Наша теория предсказывает начальную температуру, измеренную в модельных системах, и объясняет, почему очень холодные жидкости ведут себя при этой температуре так же, как твердые тела, хотя их структура такая же, как у жидкости». Мандабо объясняет.

«Начальная температура для динамики стекла аналогична температуре плавления, при которой переохлажденная жидкость «плавится» в жидкость. Это должно подходить для всех переохлажденных жидкостей или стеклянных систем».

Хотя общий поток атомов в переохлажденной жидкости практически незначителен, молекулы, оставаясь на месте, постоянно меняют конфигурацию, что приводит к движениям, называемым возбуждениями. Исследователи рассматривают эти возбуждения в переохлажденной двумерной жидкости как дефекты в кристаллическом твердом теле и рассчитывают, что происходит при изменении температуры.

Они обнаружили, что связанные пары возбуждений становятся некоррелированными при начальной температуре, в результате чего материал теряет свою твердость и ведет себя как обычная жидкость.

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

«Все усилия направлены на то, чтобы микроскопически понять, что отличает переохлажденную жидкость от высокотемпературной жидкости». Мандабо говорит.

«С точки зрения фундаментальной науки интересно изучать, почему эти переохлажденные жидкости демонстрируют заметно отличающуюся динамику от обычных жидкостей, которые мы знаем».

Исследование опубликовано в Труды Национальной академии наук.