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陈根:液态玻璃遭科学证实,二十年来第一次
发布时间:2021-01-11 09:42:44    信息来源:陈根  点击:510次
虽然玻璃是我们日常生活中普遍使用的材料,但它同时也存在难解的科学问题。与人们可能预期的相反,玻璃的真实性质仍然是个科学谜题,对其化学和物理性质的科学研
究仍在进行中。
事实上,在化学和物理学中,玻璃一词本身就是一个可变的概念:它包括我们所知的窗玻璃物质,但它也可以指一系列其他材料,这些材料的性质可以通过类似玻璃的行为来解释,例如,包括金属、塑料、蛋白质,甚至生物细胞。
虽然玻璃可能会给人留下印象,但它绝不是传统的固体。通常,当一种物质从液态转变为固态时,分子排列成一排形成晶体图案。在玻璃中,这种情况不会发生。相反,在结晶发生之前,分子被有效地冻结在原地。这种奇怪和无序的状态是不同系统玻璃的特征,科学家们仍在试图理解这种亚稳态究竟是如何形成的。
现在,来自康斯坦茨大学的科学家们已经发现了一种玻璃的新的物质状态——液体玻璃,此次发现的液态玻璃具有从前未知的结构元素,这也提出了关于玻璃及其转变性质的新见解。
值得一提的是,胶体悬浮液是含有固体颗粒的混合物或流体,其尺寸为微米(百万分之一米)或更大,比原子或分子大,因此非常适合用光学显微镜进行研究。迄今为止,大多数涉及胶体悬浮液的实验都依赖于球形胶体。然而,大多数自然和技术系统是由非球形粒子组成的。
此次研究中,研究小组利用聚合物化学方法制造出小塑料颗粒,拉伸并冷却它们,直到它们变成椭球状,然后将它们放入合适的溶剂中。由于其独特的形状,使得研究人员的粒子更具有方向性。
研究人员接着改变悬浮液中的粒子浓度,并用共焦显微镜跟踪粒子的平移和旋转运动。在一定的粒子密度下,定向运动冻结,而平移运动持续存在,导致粒子聚集形成具有相似定向的局部结构的玻璃态。研究人员称之为液态玻璃是这些团簇相互阻碍,并介导特征性长程空间相关性的结果。这些阻止了液晶的形成,这将是热力学所期望的物质的整体有序状态。
事实上,研究人员观察到的是两种相互竞争的玻璃转变——一种是规则相变,另一种是非平衡相变——相互作用。研究人员认为,从理论的高度来看,这是一个非常有趣的现象。此次实验为临界涨落和玻璃状停止之间的相互作用提供了证据,而科学界对此已经关注了相当长一段时间——几十年来,液态玻璃的预测一直是理论上的推测。
结果进一步表明,类似的动力学可能在其他玻璃形成系统中起作用,因此可能有助于阐明复杂系统和分子的行为,从非常小(生物)到非常大(宇宙学)。它还可能影响液晶器件的发展。相关研究结果已发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
 
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