В настоящее время молекулярная динамика, управляющая аморфными материалами - стеклом и пластиком, остается во многом загадочной. На самом деле, несмотря на кажущуюся твердость, они находятся в "переохлажденном" жидком состоянии, которое течет крайне медленно. Теперь исследователи предлагают более точное описание этой характеристики с помощью теории скрытой переходной фазы между жидким и твердым состояниями.
Аморфные материалы характеризуются особой молекулярной структурой, которая никогда не располагается упорядоченно. В отличие от многих материалов, которые при охлаждении (кристаллизации) затвердевают и образуют упорядоченную молекулярную структуру, в аморфных материалах атомы распределены беспорядочно, как в жидкости, несмотря на их твердый вид. Такие материалы, называемые "переохлажденными" жидкостями, не полностью затвердели и поэтому продолжают течь очень медленно.
Переохлажденный материал сохраняет свойства жидкой фазы, даже если его температура значительно ниже температуры стеклования. Это так называемое "метастабильное" состояние может резко изменяться в ответ на небольшое возмущение, переходя в то же состояние, что и обычное твердое тело. В ходе этого процесса наступления жесткости материал достигает такого состояния вязкости, что практически не течет.
Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) при Калифорнийском университете пытаются объяснить эту переходную фазу, которая до сих пор не до конца изучена. Лучшее понимание этого явления может открыть путь к созданию более эффективных материалов для медицинских приборов, вспомогательных веществ для лекарств, биосовместимых носителей и т.д.
Расчеты на основе двумерной модели
Переохлажденная жидкость обладает динамической неоднородностью. Это означает, что частицы, из которых она состоит, находятся в постоянном движении, а молекулярные конфигурации постоянно переходят из одного состояния в другое. Области, в которых происходят эти изменения, локализованы и относятся к категории возбуждений, определяющих "прыжки" частиц. В основе этого процесса лежит теория динамического облегчения, согласно которой динамическая неоднородность способствует образованию и релаксации соседних возбуждений в иерархическом порядке. Однако для переохлажденных жидкостей, выше температуры стеклования, этот механизм релаксации оказывается иным.
Для объяснения динамики переохлажденных жидкостей были выдвинуты различные теории. Кранти Мандадапу, исследователь из Лаборатории Беркли, объясняет, что "температура стеклования подобна температуре плавления, при которой переохлажденная жидкость превращается в жидкость. Это должно быть актуально для всех переохлажденных жидкостей или стеклообразных систем". Однако до сих пор ни одна из гипотез не смогла установить физику выше и ниже этой температуры перехода. Многие вопросы остаются без ответа: каковы микроскопические механизмы, определяющие этот порог и позволяющие отличать переохлажденные жидкости от обычных? Как можно связать переохлажденные жидкости с природой твердых тел на промежуточных временных масштабах?
Пытаясь ответить на эти вопросы, Мандадапу и его коллеги проанализировали возбуждения в двумерной модели переохлажденной жидкости, рассматривая их как дефекты в кристаллическом теле. "Наша теория предсказывает температуру перехода, измеренную в модельных системах, и объясняет, почему поведение переохлажденных жидкостей вблизи этой температуры напоминает поведение твердых тел, хотя их структура такая же, как у жидкостей", — утверждают они. Более конкретно, в ходе анализа были определены молекулярные структуры, отличающие переохлажденную жидкость от высокотемпературной. Статья авторов доступна на сервере PNAS.
Согласно расчетам, при достижении переохлажденной жидкостью температуры перехода каждая пара молекул, связанных дефектами, отделяется, образуя несвязанную пару. При этой температуре диссоциация дефектов приводит к тому, что структура теряет свою жесткость и ведет себя как обычная жидкость, считают исследователи. Кроме того, при возбуждении и на короткие промежутки времени некоторые частицы начинают двигаться, в то время как остальная часть структуры остается неподвижной. Теория предполагает, что это неизвестные до сих пор свойства динамики стекла.
В ближайшем будущем ученые намерены распространить свою модель на трехмерные системы. Также будут проведены дополнительные исследования, чтобы объяснить, как локальные возбуждения вызывают соседние и приводят к релаксации жидкости в целом. И самое главное - полученные результаты необходимо будет проверить опытным путем, особенно с учетом достижений в области получения изображений со сверхразрешением.
Фото: (Слева) Выше температуры стеклования аморфный двумерный материал демонстрирует обычное жидкое поведение, при котором все частицы движутся одинаково (желтый цвет). (Справа) Ниже этой температуры он становится переохлажденным, при этом появляется жесткость, что приводит к появлению нескольких подвижных частиц (желтые) среди твердых неподвижных областей (синие).
