Glastransition är en stor utmaning inom den kondenserade materiens fysik och avslöjar fortfarande överraskningar, trots årtionden av intensiv forskning. Till exempel ansågs diffusion i glasartade vätskor fram till nu vara kvalitativt lik den i konventionella, "heta" vätskor, åtminstone under långa observationstider. Ny forskning publicerad i Physical Review Letters visar att så inte är fallet:långtidsdiffusion i glasartade vätskor är verkligen "Fickian yet non-Gaussian" (FnGD), en spännande egenskap som tidigare upptäckts i komplexa och biologiska vätskor. Till skillnad från dessa system blir emellertid FnGD i glasartade vätskor dramatisk när man närmar sig glasövergången och verkar kännetecknas av universella skalningslagar. Studien, som kombinerar experiment och simuleringar, utfördes av Francesco Rusciano (doktorand), Raffaele Pastore och Francesco Greco vid gruppen för statistisk mekanik för mjuka material vid University of Neapel Federico II.

Problemet med glasövergången

Efter decennier av experimentella och teoretiska ansträngningar från ett brett forskarsamhälle är glasövergången fortfarande en stor öppen fråga inom områdena kondenserad materia och komplexa system, vilket framgår av Nobelpriset som nyligen tilldelades Giorgio Parisi, en av de ledande figurerna inom området. det här ämnet. Men vad är ett glas? Kortfattat, när en molekylär vätska snabbt kyls under sin smälttemperatur, kan kristallisation undvikas. I detta tillstånd gör dock även måttliga temperaturfall att viskositeten ökar i storleksordningar och leder så småningom till "glas", ett material som är mekaniskt fast men ändå bibehåller den oordnade mikroskopiska strukturen som är typisk för en vätska. Således utmanar glasövergång ett grundläggande antagande i kondenserad materia, nämligen att den mikroskopiska strukturen och den mekaniska responsen hos ett material är nära besläktade. Intressant nog har det framkommit att glasövergången inte bara är en prerogativ för molekylära vätskor, utan den förekommer även i andra system, såsom kolloidala suspensioner med ökande koncentration. Även om utvecklingen av en heltäckande teori för förglasning ännu är en fråga för aktiv debatt, är det nu klart att en viktig roll spelas av närvaron av dynamisk heterogenitet, dvs. den långvariga samexistensen av kluster av snabba och långsamma- rörliga partiklar. Glasartade vätskor anses i själva verket vara en paradigmatisk modell av dynamisk heterogenitet.

Fickisk icke-Gaussisk diffusion

Även om glasövergång är ett långvarigt problem, är FnGD en mycket nyare. Partikeldiffusion i konventionella vätskor och i många andra system kännetecknas av en partikelmedelkvadratförskjutning (MSD) som ökar linjärt i tiden (Fickian) och av en Gaussisk förskjutningsfördelning, som förutspåtts av Einsteins berömda arbete om Brownsk rörelse och dess tolkning i termer av en spontan promenad. Men i vissa system, som fibernätverk eller porösa material, har diffusion visat sig vara icke-fickisk och icke-gaussisk, och benämns därför "anomal diffusion". På grund av dessa observationer ansågs Fickiska och Gaussiska beteenden inträffa tillsammans eller inte förekomma alls.

Denna vanliga förväntning spräcktes 2009 av banbrytande experiment vid Granicks grupp (University of Urbana, Illinois), som avslöjade förekomsten av en ny typ av diffusion, som samtidigt är Fickian men icke-Gaussisk. Sedan dess upptäckt i biologiska vätskor har FnGD hittats i en mängd olika mjuka materiasystem, men dess förståelse är fortfarande svårfångad. Emellertid är uppkomsten av FnGD generiskt förknippad med någon strukturell eller dynamisk heterogenitet i miljön där partiklar rör sig.

Fickisk icke-Gaussisk diffusion i glasartade vätskor

Den utbredda kombinationen av heterogenitet och FnGD motiverade forskarna vid University of Neapel Federico II att söka efter möjlig förekomst av FnGD i glasbildande vätskor, symbolen för dynamisk heterogenitet, med hjälp av experiment på kolloidala suspensioner och simuleringar av molekylära vätskor. Studien visar att FnGD inte bara finns i glasartade vätskor, utan det blir också mycket markant och långvarigt när man närmar sig glasövergången. Studien visar också att universella maktlagar fångar sambandet mellan tidsskalorna för början av Fickianity och för återställande av Gaussianity, såväl som tidsberoendet för de exponentiella svansarna av förskjutningsfördelningarna.

Sammantaget öppnar dessa fynd vägen för en korsbefruktning av idéer mellan de två frågorna om FnGD och glasövergång. Å ena sidan är FnGD nyckeln till att förstå långtidsdiffusion i glasartade vätskor och att återbesöka väletablerade koncept, som dynamisk heterogenitet. Å andra sidan kan den starka signaturen av FnGD som just hittats i glasartade vätskor sannolikt representera ett riktmärke för framtida studier av FnGD i andra system. + Utforska vidare

Utmanar Einsteins bild av Brownsk rörelse