Гарвардские ученые-материаловеды придумали, по их мнению, новый способ моделирования формирования стекол, типа аморфного твердого тела, включающего обычное оконное стекло.
Стекла формируются в процессе витрификации, при котором стеклообразная жидкость охлаждается и медленно становится твердой, молекулы которой, хотя и перестают двигаться, не закрепляются на постоянной основе в кристаллической структуре. Вместо этого они больше похожи на жидкость, которая просто перестала течь, хотя и может продолжать двигаться в течение длительного времени.
"Стакан постоянен, но только в течение определенного периода времени. Это жидкость, которая просто перестала двигаться, перестала течь», - сказал Дэвид Вайц, профессор Маллинкродта физики и прикладной физики Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) и факультета физики. «Кристалл имеет очень уникальную структуру, очень упорядоченная структура, которая повторяется снова и снова. Стакан никогда не повторяется. Он хочет быть кристаллом, но что-то мешает ему стать кристаллом."
Кроме оконного стекла, сделанного из кремнезема или диоксида кремния, Вайц сказал, что многие сахара являются стеклами. Мед, например, не является стаканом при комнатной температуре, но когда он остывает и затвердевает, он становится стаканом.
Ученые, такие как Вайц, используют модели, чтобы понять свойства очков. Вайц и члены его исследовательской группы вместе с коллегами из Колумбийского университета и Университета Северного Техаса сообщают в журнале Nature на этой неделе о новой морщинке на старой модели, которая, кажется, улучшает то, насколько хорошо она имитирует поведение стекла.
Модель представляет собой коллоидную жидкость, жидкость с мельчайшими частицами или коллоидами, равномерно взвешенными в ней. Молоко, например, представляет собой знакомую нам коллоидную жидкость. Ученые моделируют затвердевание стекол с помощью коллоидов, добавляя в жидкость больше частиц. Это увеличивает концентрацию частиц, делая жидкость более густой и замедляя ее течение. По словам Вайца, преимуществом такого подхода к непосредственному изучению очков является их размер. Коллоидные частицы в 1000 раз больше, чем молекула стекла, и их можно наблюдать в микроскоп.
«Они большие, они медленные. Они становятся все медленнее и медленнее, медленнее и медленнее», - сказал Вайц. «Они ведут себя не как жидкость. Они не ведут себя как кристаллы. Во многом они ведут себя как стакан».
Проблема с традиционными коллоидами, используемыми в этих моделях, заключается в том, что они часто быстро затвердевают после определенного момента, в отличие от большинства стекол, которые продолжают течь все медленнее по мере постепенного затвердевания. Вайц и его коллеги создали коллоид, который таким образом ведет себя больше как стекло, используя мягкие сжимаемые частицы в коллоиде вместо твердых. Это заставляет частицы сжиматься вместе по мере добавления большего количества частиц, заставляя их течь медленнее, но задерживая точку, в которой они затвердевают, придавая им более стеклоподобное поведение.
Изменяя жесткость коллоидных частиц, исследователи могут варьировать коллоидное поведение и улучшать точность модели для различных стекол.
«У молекулярного стекла такое разнообразие поведения, и мы никогда не видели такого разнообразия поведения у коллоидных частиц», - сказал Вайц. «Тот факт, что вы можете визуализировать вещи, дает вам огромное понимание, которое вы не можете получить с помощью молекулярного стекла».
Соавторы Вайца - Йохан Маттссон, Ханс М. Висс и Альберто Фернандес-Ньевес с факультета физики и Школы инженерии и прикладных наук Гарварда; Кунимаса Миядзаки и Дэвид Р. Райхман из Колумбийского университета; и Чжибин Ху из Университета Северного Техаса. Их работа финансировалась Национальным научным фондом, Гарвардским центром материаловедения и инженерии, Фондом Ганса Вертена, Фондом Веннера-Грена, Фондом Кнута и Алисы Валленберг и Королевским обществом искусств и наук в Гётеборге, Министерством науки и техники. e Innovación и Университет Альмерии, а также KAKENHI.