Физики провели новое исследование перехода стекло-жидкость

433

Стекла — это своеобразные материалы, обладающие хорошо известными свойствами, но также и некоторыми, которые до сих пор до конца понятны, хотя они изучаются уже более века. В частности, ученые еще не достигли полного описания процесса стеклообразования при охлаждении жидкости и обратного перехода стекла в более устойчивое состояние — называемое переохлажденной жидкостью — при его нагревании. Новое исследование проливает свет на эту загадку.

Стекло – это аморфное твердое тело, состояние вещества, характеризующееся отсутствием так называемого дальнего порядка. Другими словами, оно не имеет кристаллической структуры, как обычное твердое тело, но и его молекулы не могут двигаться, как в жидкости, из-за очень высокой вязкости.

Поскольку это состояние не является энергетически стабильным, атомы или молекулы в стеклах имеют тенденцию со временем перестраиваться, приводя к более стабильным конфигурациям.

Такому процессу реконфигурации, происходящему естественным образом, способствует повышение температуры. При нагреве стекла до определенной температуры перехода его компоненты приобретают дополнительную подвижность, и материал становится переохлажденной жидкостью.

Обычно этот переход от стекла к жидкости описывается как динамический процесс, в котором атомы или молекулы проходят совместную релаксацию. Это означает, что области стекла, обладающие несколько большей подвижностью, заставляют соседние зоны постепенно переходить в жидкое состояние и достигать равновесной фазы. Согласно этой теории, увеличение подвижности происходит постепенно, а релаксация происходит во всем материале совместно и почти равномерно. Но всегда ли так происходит?

Новое исследование дает более точное описание этого явления. Ученые экспериментально продемонстрировали, что при определенных условиях переход от стекла к переохлажденной жидкости может происходить за счет быстрого образования локализованных жидких областей, подвижность которых намного выше, чем у остального материала, и которые быстро расширяются.

Это приводит к стадии, когда части материала уже находятся в стабильной жидкой фазе, а другие все еще стеклообразны, чего не происходит при совместной релаксации. Чтобы эти два состояния сосуществовали в локализованных областях, разница в подвижности между жидкими и стеклянными частями должна быть очень значительной.

Авторы показали, что оба эти механизма — образование расширяющихся областей жидкости и релаксация — могут иметь место при нагреве стекла в зависимости от условий процесса. Какой из двух преобладает, определяется конкретной температурой стекла, но не зависит от процедуры, используемой для формирования исходного стекла, или от его начальной стабильности.

Исследование стало возможным благодаря использованию передовых лабораторных методов, таких как нанокалориметрия, которая позволяет наблюдать динамику стекла в наномасштабе и выполнять измерения в температурных диапазонах и масштабах времени, которые не могут быть достигнуты обычными методами.

Результаты добавляют новые важные детали к описанию сложного процесса перехода стекло-жидкость и открывают путь к новым теориям и углубленным исследованиям.

Более глубокое понимание физики стекла позволит использовать его свойства для новых или улучшенных приложений.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.

Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии