Upptäckten av flytande glas kastar ljus över det gamla vetenskapliga problemet med glasövergången:Ett tvärvetenskapligt team av forskare från universitetet i Konstanz har upptäckt ett nytt materiatillstånd, flytande glas, med tidigare okända strukturella element — nya insikter om glasets natur och dess övergångar.

Även om glas är ett verkligt allmänt förekommande material som vi använder dagligen, det representerar också en stor vetenskaplig gåta. Tvärtemot vad man kan förvänta sig, glasets sanna natur förblir något av ett mysterium, med vetenskaplig undersökning av dess kemiska och fysikaliska egenskaper som fortfarande pågår. I kemi och fysik, Termen glas i sig är ett föränderligt begrepp:Det inkluderar ämnet vi känner som fönsterglas, men det kan också hänvisa till en rad andra material med egenskaper som kan förklaras med hänvisning till glasliknande beteende, Inklusive, till exempel, metaller, plast, proteiner, och även biologiska celler.

Även om det kan ge intryck, glas är allt annat än konventionellt fast. Vanligtvis, när ett material övergår från ett flytande till ett fast tillstånd ställer molekylerna upp sig för att bilda ett kristallmönster. I glas, detta händer inte. Istället, molekylerna fryses effektivt på plats innan kristallisering sker. Detta konstiga och oordnade tillstånd är karakteristiskt för glasögon över olika system och forskare försöker fortfarande förstå hur exakt detta metastabila tillstånd bildas.

Ett nytt materiatillstånd:flytande glas

Forskning ledd av professorerna Andreas Zumbusch (Kemiska institutionen) och Matthias Fuchs (Institutionen för fysik), båda baserade vid universitetet i Konstanz, har precis lagt till ytterligare ett lager av komplexitet till glasproblemet. Genom att använda ett modellsystem som involverar suspensioner av skräddarsydda ellipsoidala kolloider, forskarna upptäckte ett nytt tillstånd av materia, flytande glas, där enskilda partiklar kan röra sig men inte kan rotera - komplext beteende som inte tidigare har observerats i bulkglas. Resultaten publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Kolloidala suspensioner är blandningar eller vätskor som innehåller fasta partiklar som, vid storlekar av en mikrometer (en miljondels meter) eller mer, är större än atomer eller molekyler och därför väl lämpade för undersökning med optisk mikroskopi. De är populära bland forskare som studerar glasövergångar eftersom de har många av de fenomen som också förekommer i andra glasbildande material.

Skräddarsydda ellipsoidala kolloider

Hittills, de flesta experiment som involverade kolloidala suspensioner har förlitat sig på sfäriska kolloider. Majoriteten av naturliga och tekniska system, dock, består av icke-sfäriska partiklar. Med hjälp av polymerkemi, teamet ledd av Andreas Zumbusch tillverkade små plastpartiklar, sträcka och kyla dem tills de uppnådde sin ellipsoida form och placera dem sedan i ett lämpligt lösningsmedel. "På grund av sina distinkta former har våra partiklar orientering - i motsats till sfäriska partiklar - vilket ger upphov till helt nya och tidigare ostuderade typer av komplexa beteenden, " förklarar Zumbusch, som är professor i fysikalisk kemi och senior författare på studien.

Forskarna fortsatte sedan med att ändra partikelkoncentrationerna i suspensionerna, och spårade både translations- och rotationsrörelsen hos partiklarna med hjälp av konfokalmikroskopi. Zumbusch säger, "Vid vissa partikeldensiteter frös orienteringsrörelsen medan translationell rörelse kvarstod, vilket resulterade i glasartade tillstånd där partiklarna samlades för att bilda lokala strukturer med liknande orientering." Vad forskarna har kallat flytande glas är ett resultat av att dessa kluster ömsesidigt hindrar varandra och förmedlar karakteristiska långväga rumsliga korrelationer. Dessa förhindrar bildandet av en vätska kristall som skulle vara det globalt ordnade tillståndet av materia som förväntas från termodynamiken.

Två konkurrerande glasövergångar

Vad forskarna observerade var i själva verket två konkurrerande glasövergångar - en vanlig fastransformation och en icke-jämviktsfasomvandling - som interagerar med varandra. "Det här är otroligt intressant ur en teoretisk synvinkel, säger Matthias Fuchs, professor i teori om mjuk kondenserad materia vid universitetet i Konstanz och den andra seniorförfattaren på tidningen. "Våra experiment ger den typ av bevis för samspelet mellan kritiska fluktuationer och glasartade arresteringar som forskarvärlden har varit ute efter under ganska lång tid." En förutsägelse av flytande glas hade förblivit en teoretisk gissning i tjugo år.

Resultaten tyder vidare på att liknande dynamik kan vara verksamma i andra glasbildande system och därmed kan bidra till att belysa beteendet hos komplexa system och molekyler som sträcker sig från de mycket små (biologiska) till de mycket stora (kosmologiska). Det påverkar också potentiellt utvecklingen av flytande kristallina enheter.