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研究人员发现液态玻璃新状态:既不是液体也不是固体
贤集网 / 时间:2021-01-14 15:51:41

贤集网1月6日讯:虽然玻璃是我们每天使用的无处不在的材料,但它也代表了一个主要的科学难题。与人们可能期望的相反,玻璃的真实性质仍然是个谜,对它的化学和物理性质的科学探索仍在进行中。在化学和物理学中,术语“玻璃”本身是一个易变的概念:它包括我们称为窗玻璃的物质,但它也可以指代其他具有可以通过类似玻璃的行为来解释其特性的其他材料。例如金属、塑料、蛋白质、甚至生物细胞。

尽管可能会给人留下深刻的印象,但玻璃通常不是固体。通常,当材料从液态转变为固态时,分子会排成一行,形成一个晶体图案。在玻璃中,这不会发生。而是在结晶发生之前将分子有效地冻结在适当的位置。这种奇怪而混乱的状态是跨不同系统的眼镜的特征,科学家们仍在努力了解这种亚稳态的形成方式。

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一种新的物质状态:液体玻璃

康斯坦茨大学的Andreas Zumbusch(化学系)教授和Matthias Fuchs(物理系)教授领导的研究刚刚为玻璃难题增加了另一层复杂性。研究人员使用一个包含量身定制的椭圆形胶体悬浮液的模型系统,发现了一种新的状态,即液态玻璃,其中单个粒子能够移动但无法旋转-复杂的行为以前在大容量玻璃中还没有观察到。研究结果发表在国家科学学院院刊美利坚合众国(的PNAS)(出版日期:2021年1月19日,网上公布:2021年1月4日)。

胶体悬浮液是包含固体颗粒的混合物或液体,其大小为微米(百万分之一米)或更大,大于原子或分子,因此非常适合用光学显微镜进行研究。它们在研究玻璃化转变的科学家中很受欢迎,因为它们具有许多在其他玻璃形成材料中也会发生的现象。

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量身定制的椭圆体胶体

迄今为止,大多数涉及胶体悬浮液的实验都依赖于球形胶体。但是,大多数自然和技术系统都是由非球形粒子组成的。Andreas Zumbusch领导的团队使用高分子化学方法制造了小的塑料颗粒,将其拉伸并冷却,直至达到椭圆形,然后将其置于合适的溶剂中。物理化学教授,这项研究的资深作者祖姆布施解释说:“由于它们独特的形状,与球形颗粒相反,我们的颗粒具有定向性,从而产生了全新的,以前未被研究的复杂行为。”

然后,研究人员继续改变悬浮液中的颗粒浓度,并使用共聚焦显微镜跟踪了颗粒的平移和旋转运动。Zumbusch继续说:“在某些粒子密度下,定向运动冻结,而平移运动持续,导致玻璃态,其中粒子聚集形成具有相似定向的局部结构”。研究人员称之为液态玻璃的原因是这些团簇相互阻碍并介导了特征性的远距离空间相关性。这些阻止了液晶的形成,该液晶将是热力学预期的物质的整体有序状态。

两个竞争的玻璃过渡

研究人员观察到,实际上是两个相互竞争的玻璃化转变-规则的相变和非平衡的相变。康斯坦茨大学(University of Konstanz)软凝聚理论的教授马蒂亚斯·富克斯(Matthias Fuchs)评论说:“从理论上讲,这是非常令人感兴趣的。” “我们的实验提供了科学界已经关注了很长时间的临界波动与玻状逮捕之间相互作用的证据。” 对液态玻璃的预测一直是二十年来的理论推测。

结果进一步表明,类似的动力学可能在其他玻璃成型系统中起作用,因此可能有助于阐明复杂系统和分子的行为,这些分子和分子的范围从很小(生物学)到很大(宇宙学)。它还潜在地影响液晶装置的发展。

该研究是康斯坦茨大学合作研究中心(CRC)1214“各向异性粒子作为构建基块:定制形状,相互作用和结构”的一部分,该研究由德国研究基金会(DFG)于2016年至2020年资助。

事实:

康斯坦茨大学的一组化学家和物理学家发现了一种新的物质状态,即液态玻璃,它具有以前未知的结构元素。

化学系Andreas Zumbusch教授和物理系Matthias Fuchs教授领导的研究为尚未解决的玻璃化转变问题提供了新的见解。

椭球形胶体的实验表明,形成液态玻璃是因为粒子能够移动但无法旋转-导致局部粒子簇相互阻塞,从而阻止了物质形成有序状态。

该研究是康斯坦茨大学合作研究中心(CRC)1214“各向异性粒子作为构建基块:定制形状,相互作用和结构”的一部分,该研究由德国研究基金会(DFG)于2016年至2020年资助。