Учёные описали детали фазового перехода между жидким и твёрдым состоянием вещества

(Слева) При температуре выше начальной двумерный материал ведёт себя как обычная жидкость, все частицы которой одинаково подвижны (жёлтый цвет). (Справа) Ниже этой температуры он становится переохлаждённым, и увеличение твёрдости приводит к появлению лишь некоторых подвижных частиц (жёлтые) среди твёрдых «замороженных» областей (синие).

Материалы вроде пластика или стекла называются аморфными. В отличие от многих материалов, которые, застывая, превращаются в кристаллические твёрдые тела, атомы и молекулы аморфных материалов при охлаждении никогда не образуют кристаллы. Хотя мы обычно считаем пластик и стекло «твёрдыми телами», они остаются в состоянии, которое можно описать как переохлаждённую жидкость, текущую очень медленно.

И хотя эти «стеклообразные динамические» материалы повсеместно встречаются в нашей повседневной жизни, то, как они становятся жёсткими в микроскопическом масштабе, долгое время не было изучено полностью.

Теперь исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики обнаружили молекулярное поведение переохлаждённых жидкостей, которое представляет собой скрытый фазовый переход между жидкостью и твёрдым телом.

Их более глубокое понимание применимо к обычным материалам, таким как пластмассы и стекло, и может помочь учёным в разработке новых аморфных материалов для использования в медицинских приборах, доставке лекарств и аддитивном производстве.

В частности, используя теорию, компьютерное моделирование и предыдущие эксперименты, учёные объяснили, почему молекулы этих материалов при охлаждении остаются неупорядоченными, как жидкость, пока при определённой температуре, называемой температурой наступления фазового перехода, не совершают резкий переход к твёрдому состоянию: они становятся настолько вязкими, что едва двигаются. Именно этот переход — ранее неизвестный фазовый переход — отличает переохлаждённые жидкости от обычных.

«Наша теория предсказывает температуру начала фазового перехода, измеренную в модельных системах, и объясняет, почему поведение переохлаждённых жидкостей вблизи этой температуры напоминает твёрдые тела, хотя их структура такая же, как у жидкости», — говорит Кранти Мандадапу, штатный научный сотрудник Отдела химических наук Лаборатории Беркли и профессор химического машиностроения Калифорнийского университета в Беркли, возглавивший работу, которая была опубликована в PNAS.

Любая переохлаждённая жидкость непрерывно переходит от одной конфигурации молекул к другой, что приводит к локализованным движениям частиц, или «возбуждениям». В предложенной им теории Мандадапу, постдокторант Димитриос Фраггедакис и аспирант Мухаммад Хасим рассматривают возбуждения в двумерной переохлаждённой жидкости как дефекты в кристаллическом теле.

По мере повышения температуры переохлаждённой жидкости до температуры начала процесса, как они предполагают, каждый экземпляр связанной пары дефектов распадался на несвязанную пару. Именно при этой температуре расцепление дефектов и приводит к тому, что система теряет свою жёсткость и начинает вести себя как обычная жидкость.

«Температура начала стеклообразной динамики похожа на температуру плавления, при которой переохлаждённая жидкость «переплавляется» в жидкость. Это должно быть актуально для всех переохлаждённых жидкостей или стеклообразных систем», — говорит Мандадапу.

Теория и моделирование позволили уловить и другие ключевые свойства динамики стеклообразных систем, включая наблюдение того, что в течение коротких периодов времени несколько частиц перемещаются, в то время как остальная часть жидкости остаётся замороженной.

«Весь поиск заключается в том, чтобы понять, что отличает переохлаждённую жидкость от высокотемпературной жидкости», — говорит Мандадапу.

Мандадапу и его коллеги считают, что им удастся распространить свою модель на трёхмерные системы. Они также намерены расширить её, чтобы объяснить, как локализованные движения приводят к дальнейшим близлежащим возбуждениям, приводящим к релаксации всей жидкости. В совокупности эти компоненты могут дать непротиворечивую микроскопическую картину возникновения динамики стеклообразного состояния, согласующуюся с современными наблюдениями.

«С точки зрения фундаментальной науки очень интересно изучить, почему эти переохлаждённые жидкости демонстрируют динамику, удивительно отличную от обычных жидкостей, известных нам», — говорит Мандадапу.