Glasartade ämnen finns överallt, men detta tillstånd är inte helt förstått. Grundbilden är tydlig nog - glasögon är fasta ämnen som saknar den kristalliska atomstrukturen. Hur och varför de bildas, dock, är frågor som har hållit fysikerna upptagna i årtionden. Nu, forskning från Japan har visat att glasbildning kan förstås om vätskestrukturen beskrivs korrekt.

I Fysisk granskning X , forskare från University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) ger en detaljerad studie av strukturförändringarna under glasövergången. I en väl utformad uppsättning molekylära dynamiksimuleringar, de syftade till att avgöra om processen är i grunden termodynamisk (beroende på någon form av statisk ordning) eller dynamisk (driven av slumpmässiga atomrörelser).

Teamet simulerade superkylda vätskor nära övergångspunkten, temperaturen där partikeldiffusionen upphör och ett amorft fast ämne dyker upp. Syftet var att hitta en koppling mellan strukturella mönster och avmattningen av atomrörelse, d.v.s. om atomer i framväxande strukturer är mindre rörliga än i störda regioner. Om det finns, denna struktur-dynamik-korrelation skulle verifiera att termodynamik styr bildandet av glasögon, precis som för kristaller. Det skulle vara ett stort steg mot en universell teori. Dock, eftersom glasögon tydligen är störda på distans, betydelsen av lokal ordning är svårfångad.

I varje simulering, laget kvantifierade hur väl atomerna packades ihop i kylvätskan genom att mäta en strukturell ordningsparameter. Som studieförfattaren Hua Tong förklarar, "Vi var noga med att definiera ordning som alla lokala förpackningar som var steriskt gynnade, inte bara kristallin förpackning. När atomerna klassificerades enligt detta kriterium och sedan kvantifierades av deras miljöer, känd som grovkorn, uppstod en tydlig korrelation mellan strukturell ordning och dynamik. "Med andra ord:mer ordnade atomer var verkligen mindre rörliga.

Glasbildning sker på två tidsskalor:en långsam alfa (α) process och en snabb beta (β) process. Länken mellan dessa lägen är - som mycket annat inom glasteorin - höljd i mystik. IIS-teamet fann att korrelationen struktur-dynamik var starkast när en specifik längd användes för grovkorn. Denna längd, som gradvis ökar när vätskan svalnar, motsvarar snyggt den karakteristiska längden av dynamisk heterogenitet som maximeras vid α -tidsskalan. Under tiden, själva atomerna är kopplade till det snabba β -läget. Därför, varje glasbildande vätska beror på detta par av inneboende, karakteristiska längder.

"Upptäckten av dessa längdskalor löser två problem samtidigt, "säger författaren Hajime Tanaka." Först, med robust statistik, vi visar att glasbildning verkligen är termodynamisk. Trots deras uppenbara slumpmässighet, glasartade vätskor visar subtil ordning, fastän det är mindre riktning än i kristaller. Andra, a- och β -lägena har ett gemensamt strukturellt ursprung, även om de följer olika längdskalor. Detta avslöjar en inneboende länk mellan dessa två viktiga dynamiska lägen. Nu, frågan är om länken struktur-dynamik är mer än bara en korrelation. I framtiden hoppas vi kunna hitta en direkt kausalitet. "

Artikeln, "Avslöjar dold strukturordning som styr både snabb och långsam glasaktig dynamik i underkylda vätskor, "publicerades i Fysisk granskning X på doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011041