Хотя стекло — действительно распространенный материал, который мы используем ежедневно, оно также представляет собой серьезную научную головоломку. Вопреки тому, что можно было ожидать, истинная природа стекла остается загадкой, а научные исследования его химических и физических свойств все еще продолжаются. В химии и физике термин стекло само по себе является изменчивым понятием: оно включает в себя вещество, которое мы знаем как оконное стекло, но оно также может относиться к ряду других материалов со свойствами, которые можно объяснить, ссылаясь на поведение стекла, включая например, металлы, пластмассы, белки и даже биологические клетки.
Хотя это может произвести впечатление, стекло — это что угодно, но не всегда твердое. Обычно, когда материал переходит из жидкого в твердое состояние, молекулы выстраиваются в линию, образуя кристаллический узор. В стекле такого не бывает. Вместо этого молекулы фактически замораживаются на месте до того, как произойдет кристаллизация. Это странное и неупорядоченное состояние характерно для очков в разных системах, и ученые все еще пытаются понять, как именно формируется это метастабильное состояние.
Новое состояние вещества: жидкое стекло
Исследования, проводимые профессорами Андреасом Зумбушем (факультет химии) и Матиасом Фуксом (факультет физики), оба из Университета Констанца, только что добавили еще один уровень сложности к стеклянной головоломке. Используя модельную систему, включающую суспензии специально созданных эллипсоидных коллоидов, исследователи обнаружили новое состояние вещества, жидкое стекло, при котором отдельные частицы могут двигаться, но не могут вращаться — сложное поведение, которое ранее не наблюдалось в объемных стеклах. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Коллоидные суспензии — это смеси или жидкости, содержащие твердые частицы размером в один микрометр (одну миллионную метра) или более, которые больше, чем атомы или молекулы, и поэтому хорошо подходят для исследования с помощью оптической микроскопии. Они популярны среди ученых, изучающих стеклование, потому что они обладают многими явлениями, которые также происходят в других стеклообразующих материалах.
Эллипсоидные коллоиды на заказ
На сегодняшний день в большинстве экспериментов с коллоидными суспензиями используются сферические коллоиды. Однако большинство природных и технических систем состоит из частиц несферической формы. Используя химию полимеров, команда под руководством Андреаса Цумбуша произвела небольшие пластиковые частицы, растягивая и охлаждая их, пока они не достигли своей эллипсоидной формы, а затем поместила их в подходящий растворитель. Из-за их различных форм частицы имеют ориентацию — в отличие от сферических частиц — что приводит к совершенно новым и ранее неизученным видам сложного поведения.
Затем исследователи изменили концентрацию частиц в суспензиях и отслеживали поступательное и вращательное движение частиц с помощью конфокальной микроскопии. При определенных плотностях частиц ориентационное движение застыло, в то время как поступательное движение сохранялось, что приводило к стекловидным состояниям, в которых частицы группировались, образуя локальные структуры с аналогичной ориентацией. То, что исследователи назвали жидким стеклом, является результатом того, что эти кластеры взаимно препятствуют друг другу и опосредуют характерные дальнодействующие пространственные корреляции. Они предотвращают образование жидкого кристалла, который был бы глобально упорядоченным состоянием вещества, ожидаемым от термодинамики.
Два конкурирующих стеклования
На самом деле исследователи наблюдали два конкурирующих стеклования — регулярное фазовое превращение и неравновесное фазовое превращение — взаимодействующих друг с другом. «Это невероятно интересно с теоретической точки зрения», — комментирует Матиас Фукс, профессор теории мягкого конденсированного состояния в Университете Констанца и другой старший автор статьи. «Наши эксперименты предоставляют своего рода свидетельство взаимодействия между критическими флуктуациями и застывшим светом, которого научное сообщество добивается в течение довольно долгого времени». Предсказание жидкого стекла оставалось теоретической гипотезой в течение двадцати лет.
Результаты также предполагают, что аналогичная динамика может работать в других стеклообразующих системах и, таким образом, может помочь пролить свет на поведение сложных систем и молекул, от очень маленьких (биологических) до очень больших (космологических). Это также потенциально влияет на разработку жидкокристаллических устройств.
