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科學家發現全新物質狀態:介于固態和液態之間的“液態玻璃”

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發布日期:2021-01-20  瀏覽次數:496
核心提示: 物理學家在玻璃的固液轉變研究中發現了一種全新的物質狀態,他們稱這種介于固態和液態(如凝膠)之間的新物質狀態為液態玻璃。
  物理學家在玻璃的固液轉變研究中發現了一種全新的物質狀態,他們稱這種介于固態和液態(如凝膠)之間的新物質狀態為“液態玻璃”。

  研究人員通過化學方法合成了球狀的聚合物核殼膠體粒子,并用不同的熒光基團染色。之后對膠體粒子進行熱機械拉伸,使其成為橢球狀,冷卻并穩定化處理后,再將它們混入合適的溶劑中。用這種方法制備的膠體粒子尺寸為微米級別,它們相對于原子和分子更大,更便于使用光學顯微鏡觀察研究。同時,由于其獨特的形狀,這種粒子更具方向性。

  德國康斯坦茨大學軟凝聚態理論教授馬蒂亞斯·??怂拐劦剑?ldquo;我們的實驗從理論高度來看十分有趣,它為臨界波動和玻璃狀阻滯之間相互作用的存在提供了證據,這是科學界一直在研究的問題。”

  當材料從液態轉變成固態,分子通常會排列成長程有序的晶體結構,但玻璃并非如此,其分子會被鎖定在無序的狀態中。研究中,研究人員改變了懸浮液中的粒子濃度,使用共聚焦顯微鏡追蹤粒子在三維空間中的平移和旋轉運動。當粒子密度到達一定程度之后,轉動自由度被凍結,而平移運動依舊存在,由于粒子呈橢球狀,因此可以觀察到轉動自由度被凍結時粒子的角度。他們發現,這些粒子聚集形成了取向近似的局部玻璃態結構,在材料內部形成阻塞,阻止液晶的形成。該狀態即被稱為液態玻璃,這意味著,這些粒子的靈活程度高于玻璃中的分子。

  康斯坦茨大學物理化學系教授安德烈亞斯·祖姆布希解釋說:“由于我們的粒子獨特的形狀,它們具有方向性,這是不同于球狀粒子的,這導致了全新的、從未研究過的復雜現象。”

  實際上,液態玻璃產生于兩種相互競爭的玻璃態轉變的相互作用:一是規則相變,另一種是非平衡相變。其中,影響液態玻璃制備的關鍵因素是粒子的形狀和濃度。此前,液態玻璃一直是理論上的預測,研究人員希望這次的發現,可以幫助我們更好地理解玻璃態轉變是如何在微納尺度下工作的。

  該研究進一步表明,這一發現不僅僅局限于玻璃體系,類似的動力學還可能有助于揭示,從最小的生物細胞到整個宇宙系統中,所有無法解釋的復雜系統和無序狀況背后的原因。同時,還有助于指導生產應用,如膠體上層結構的自組裝,液晶器件的未來發展等。

 
 
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