Стеклообразное состояние вещества – одна из «серых зон» в простой и стройной картине упорядоченных состояний вещества, которую дают в школе: упорядоченные кристаллы, неупорядоченная жидкость, разреженный и неупорядоченный газ. Отличники вспомнят еще плазму.
Существует, однако, большое количество частично упорядоченных состояний, объединяемых английским выражением, в силу ряда причин не имеющим русского аналога – Soft matter. Одним из примеров таких частично упорядоченных состояний являются жидкие кристаллы, например, нематики – по большому счету, жидкости, в которых, однако, все молекулы ориентированы одинаково. Этот факт приводит к значительной разнице свойств такой жидкости в зависимости от направления (анизотропии), что противоречит классическому определению жидкости. Все-таки, мы немного увлеклись, и наш разговор сегодня касается новости о совсем другом состоянии – стеклообразном.
В отличие от жидких, но кристаллов, стекло – это, по сути, твердая, но жидкость. Стекло появляется тогда, когда в силу тех или иных причин молекулы охлажденного вещества не успевают занять «правильные» положения в узлах кристаллической решетки, и остаются в таких же неправильных положениях, как и в жидкости, только двигаться друг относительно друга они больше не могут. Получается как в детской игре: «раз-два-три, морская фигура на месте замри»… И все молекулы застыли в совершенно неуместных позах.
Причин, по которым происходит образование стекла, может быть много. От слишком высокой скорости охлаждения, как в оконном стекле или в металлах до принципиальной невозможности существования правильной кристаллической решетки, как во многих полимерных материалах (пластики, или пластмассы).
Мы сделали важный шаг вглубь от школьной программы, однако природа стеклообразного состояния чрезвычайно сложна, и специалисты выделяют несколько принципиально разных видов стекол, исследуют переходы между ними, занимаются свойствами таких состояний.
Междисциплинарная группа исследователей из Университета Констанца открыла новое состояние вещества – жидкое. Исследования, проводимые профессорами Андреасом Зумбушем (факультет химии) и Матиасом Фуксом (факультет физики), оба из Университета Констанца, только что добавили еще один уровень сложности к стеклянной головоломке. Используя модельную систему, включающую суспензии специально созданных эллипсоидных коллоидов, исследователи обнаружили новое состояние вещества, жидкое стекло, при котором отдельные частицы могут двигаться, но не могут вращаться. Такое сложное поведение ранее не наблюдалось в объемных стеклах. Результаты работы опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Коллоидные суспензии – это смеси или жидкости, содержащие твердые частицы размером в один микрометр (одну миллионную метра) или более, которые больше, чем атомы или молекулы, и поэтому хорошо подходят для исследования с помощью оптической микроскопии. Они популярны среди ученых, изучающих стеклование, потому что они обладают многими явлениями, которые также происходят в других стеклообразующих материалах. На сегодняшний день в большинстве экспериментов с коллоидными суспензиями используются сферические коллоиды. Однако большинство природных и технических систем состоит из частиц несферической формы. Используя достижения химии полимеров, команда под руководством Андреаса Цумбуша произвела небольшие пластиковые частицы, растягивая и охлаждая их до тех пор, пока они не приобретут эллипсоидную форму, а затем поместила их в подходящий растворитель. Из-за сложной формы, такие частицы могут иметь ту или иную ориентацию, что приводит к совершенно новым и ранее неизученным видам сложного поведения. Затем исследователи изменили концентрацию частиц в суспензиях и отслеживали поступательное и вращательное движение частиц с помощью конфокальной микроскопии. При определенных плотностях частиц ориентационное движение замораживается, в то время как поступательное движение сохраняется, что приводит к образованию стекловидных состояний, в которых частицы группируются, образуя локальные структуры с аналогичной ориентацией.
То, что исследователи назвали жидким стеклом, является результатом того, что эти кластеры взаимно препятствуют друг другу и опосредуют характерные дальнодействующие пространственные корреляции. Они предотвращают образование жидкого кристалла, который был бы глобально упорядоченным состоянием вещества, ожидаемым от термодинамики.
На самом деле, исследователи наблюдали два конкурирующих процесса стеклования - регулярное фазовое превращение и неравновесное фазовое превращение - взаимодействующих друг с другом. «Это невероятно интересно с теоретической точки зрения», - говорит Маттиас Фукс, профессор теории мягкого конденсированного состояния в Университете Констанца. «Наши эксперименты предоставляют своего рода свидетельство взаимодействия между критическими флуктуациями и застывшим светом, к которому научное сообщество добивается уже довольно долгое время». Предсказание жидкого стекла оставалось теоретической гипотезой в течение двадцати лет. Результаты также предполагают, что аналогичная динамика может работать в других стеклообразующих системах и, таким образом, может помочь пролить свет на поведение сложных систем и молекул, от очень маленьких (биологических) до очень больших (космологических). Это также потенциально влияет на разработку жидкокристаллических устройств.