До сих пор никто не мог увидеть, что происходит на молекулярном уровне, когда охлажденная жидкость приближается к стеклянному состоянию. Однако физики из университета Эмори сумели записать фильм движущейся частицы во время этого таинственного перехода.

Результаты опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of the Sciences.

«Охлаждение стекла и переход из жидкого в весьма вязкое состояние существенно изменяет природу диффузии частиц», отметил физик Эрик Викс. „Мы обеспечили первое непосредственное наблюдение за тем, как частицы движутся и кувыркаются через пространство во время указанного перехода. Это и есть основная часть головоломки физики сжатого вещества“.

Викс специализируется на относительно сжатых материалах — веществах, которые нельзя сдавливать на молекулярном уровне, как твердые тела или жидкости, включая зубную пасту, арахисовое масло, крем для бритья пластик и стекло.

Ученые всецело понимают процесс превращения воды в лед. С охлаждением температуры движение молекул воды замедляется. При 32 градусах по Фаренгейту молекулы застревают в кристаллических решетках, и вода становится льдом. Напротив, молекулы стекла не кристаллизуются. Их движение также замедляется с охлаждением, но они никогда не формируют кристаллические решетки. Вместо этого они смешиваются и постепенно становятся более вязкими. Никто точно не знает, почему это происходит.

Явление оставляет физиков в раздумье над молекулярным вопросом: стекло является твердым телом или чрезвычайно вязкой жидкостью?

Этот полностью технический вопрос стимулировал неверное представление: якобы оконные стекла со временем становятся толще в основании, поскольку постепенно стекают вниз-под действием силы тяжести.

„Реальная причина этого несоответствия в том, что люди не научились изготавливать равномерно плоские оконные стекла“, сказал Викс. „Практически стекло — твердое тело, и оно не стечет даже за столетия. Однако есть зерно истины в этой легенде: стекло отличается от других твердых тел“.

Чтобы исследовать, почему это так, Викс в лаборатории использовал смеси воды и крошечных пластиковых шариков, каждый размером с ядро клетки. Эта система действует как стекло, когда концентрация частиц возрастает.

Основной недостаток образцовой системы в том, что настоящие молекулы стекла — не сферической формы, а неправильной.

„Когда жидкость, формирующая стекло, остывает, меняется не только вязкость, но и характер движения молекул“, сказал Викс. „Мы хотели настроить эксперимент так, чтобы увидеть это движение, но сферы двигаются иначе, чем частицы неправильной формы“.

В 2011 году в лаборатории Дэвида Пайна из Нью-Йоркского университета разработали способ объединения групп маленьких пластиковых шаров, чтобы в итоге получились четырехгранники. Аспирант Казем Эдмон добавил эти четырехгранники в экспериментальную жидкость и провел эксперименты. С помощью конфокального микроскопа он просканировал образцы с повышением вязкости, создавая до 100 изображений в секунду.

В итоге был создан трехмерный фильм, который продемонстрировал движение и поведение четырехгранников, когда система достигала стеклянного состояния.

Запись и данные эксперимента обеспечивают первую ясную картину динамики частицы для формирования стекла. Поскольку жидкость становится несколько более вязкой, вращательное и направленное движение частиц замедляется. Количество тех и других движений остается коррелированным.

„Обычно эти два типа движения в значительной мере спарены“, сказал Викс. „Свойство сохраняется, пока жидкость не становится настолько вязкой, что вот-вот станет стеклом. Тогда направленные и вращательные движения расцепляются: вращение замедляется в большей степени“.

ученые использовал в качестве аналогии поведения частиц переполненную парковку. „Вы не можете просто развернуться на автомобиле вокруг своей оси, поскольку он не круглый, и вы непременно ударите соседей. Двигаться по прямой проще, хотя и в этом случае надо ждать, когда начнет движение передний автомобиль“, сказал ученый.

„Стекло весьма важно в нашей жизни“, отметил Викс в заключение. „Чем больше мы понимаем его фундаментальную природу, тем больше шансов на его улучшение и расширение диапазона использования“.