Vitenskap

Flytende glass er den nyeste bisarre tilstanden til materie som oser til eksistens

2024

Kryptonitt og kyberkrystaller kan virke som noen av de mest utrolige naturlig forekommende stoffene i sci-fi (og på fiktive planeter), men ting her på jorden kan bli enda rarere.

Det er ikke smeltet glass og verken fast eller flytende - men forskere har nå oppdaget en ny tilstand som kalles flytende glass . Dens individuelle partikler kan bevege seg, men ikke rotere. Flytende glass forekommer i kolloider , som har ett stoff spredt gjennom et annet, selv om ingen av stoffene kan skille seg eller sette seg som i løsninger eller suspensjoner. Når visse kolloider blir tette nok, blir strukturen deres skrudd opp i denne glassaktige tilstanden. Det vil forbli slik til strukturen blir ordnet igjen.

Fysikeren Matthias Fuchs og kjemikeren Andreas Zumbusch fra Universitetet i Konstanz i Tyskland induserte flytende glasstilstand i et laboratorium ved å bruke kolloider som de skapte selv. Etter å ha brukt partikler i en form som aldri har blitt eksperimentert med før, ønsket de å se hva som skjedde under glassovergang og fikk noe verdig Supermann eller Stjerne krigen .

Suspensjoner av ellipsoide kolloider danner en uventet tilstand av materie, et flytende glass der rotasjoner er frosset mens oversettelser forblir flytende, Fuchs og Zumbusch sa i en studie som nylig ble publisert i PNAS . Bildeanalyse avdekker hittil ukjente nematiske forløpere som karakteristiske strukturelle elementer i denne tilstanden. Den gjensidige hindringen av disse forgrenede klyngene forhindrer flytende krystallinsk orden.

Da Fuchs og Zumbusch så nærmere på dette fenomenet, sto de overfor et stort problem. Alle kolloider som har blitt studert til nå hadde inneholdt sfæriske partikler som ikke har noen orientering. Det er umulig å vite hvor en kule vender, fordi den ikke har noen begynnelse og ingen ende, med mindre noen ønsker den utakknemlige oppgaven med å male mikroskopiske piler på hver partikkel. Det forskerne i stedet gjorde var å bruke polymerkjemi til å produsere små plastpartikler (som fremdeles var større enn atomer eller molekyler) som de deretter strukket til en elliptisk form. Disse ble deretter inkorporert i et løsningsmiddel for å lage et kolloid.

Under et optisk mikroskop viste partiklene endringer i posisjon og bevegelse som avslørte noen arrangementer som aldri var sett så godt som utrolig.

For at en krystallinsk struktur skal dannes, må den ha nettopp den ordnede strukturen. Glass er bisarrt fordi det kan føles solid, men er faktisk verken et fast stoff eller en væske. Du vil kanskje legge merke til at bunnen av en eldre vindusrute bare er litt tykkere enn toppen fordi glass siver ekstremt sakte nedover. Noen flytende krystaller blir nematisk etter å ha nådd en glassaktig tilstand. Dette betyr at molekylene er parallelle, og mens de er i stand til å flyte rundt, kan de ikke rotere. Denne manglende evnen til å rotere betyr at de ikke kan manøvrere og omorganisere seg på riktig måte for å oppnå en solid krystallinsk struktur.

Flytende glass med ellipsoide partikler er en bedre refleksjon av det som faktisk skjer i naturen eller teknologien. Du får ikke for mange forekomster av perfekt sfæriske partikler i begge situasjoner, og hvis det skjedde, ville partikkelenes mangel på orientering bare gjøre det vanskeligere å studere simuleringer og faktiske forekomster av denne merkelige tilstanden. Endring av konsentrasjonen av partiklene tillot forskerne å se endringer i bevegelse og rotasjon som ellers ville ha unnviket dem. De så at glassete tilstander oppstod ved bestemte tettheter når rotasjonen frøs.

Dette betyr ikke at krystalldannelse er dødsdømt. Flytende glass vil bare vare så lenge partiklene i kolloidet, fast i en lignende retning, danner klynger og kommer i veien for hverandre. Når partikler har nok energi, pluss riktig trykk og volum, til å rotere igjen, går de fra en flytende glasstilstand til en flytende krystall når de begynner å omorganisere seg i riktig rekkefølge.

Tilstanden i flytende glass kan gi det ettertraktede paradigmet der samspillet mellom likevektskritiske korrelasjoner og kritisk bremsing mot glassdannelse kan studeres mikroskopisk, Sa Fuchs og Zumbusch .

Så skjer dette med kryptonitt når det krystalliserer seg, eller hva? Bare en faktisk krypterer ville vite svaret.