Открыто новое состояние вещества — «жидкое стекло», предсказанное 20 лет назад

Группа исследователей из Университета Констанца (Германия) открыла новое состояние материи — жидкое стекло.

Стекло, хотя и используется давно и широко, все же представляет собой серьезную научную загадку. Его химические и физические свойства продолжают изучать. В химии и физике сам термин «стекло» — изменчивое понятие. Его относят как к собственно стеклу (бутылочное, оконное), так и к ряду других материалов, проявляющий иногда «стеклянные» свойства: металлы, пластмассы, белки и даже биоматериалы.

Обычно, когда материал переходит из жидкого в твердое состояние, молекулы выстраиваются определенным образом, образуя кристаллический узор. В стекле такого не бывает. Вместо этого молекулы фактически «замораживаются» на месте до того, как произойдет кристаллизация. Это странное и неупорядоченное состояние до сих пор является предметом изучения для ученых.

Исследования, проводимые профессорами Андреасом Зумбушем и Матиасом Фуксом из Университета Констанца, добавили еще один уровень сложности к стеклянной головоломке. Используя модельную систему, включающую суспензии специально изготовленных эллипсоидных коллоидов, исследователи обнаружили новое состояние вещества — жидкое стекло, при котором отдельные частицы могут двигаться, но не могут вращаться — сложное поведение, которое ранее не наблюдалось в объемных стеклах. Результаты их 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.

Было замечено, что при определенных плотностях частиц ориентационное движение замораживается, в то время как поступательное движение сохраняется, что приводит к стеклообразным состояниям, 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 стеклования — регулярное фазовое превращение и неравновесное фазовое превращение — взаимодействующих друг с другом. «Это невероятно интересно с теоретической точки зрения. Наши эксперименты предоставляют своего рода свидетельство взаимодействия между критическими флуктуациями и застывшим светом, к которому научное сообщество добивается уже довольно долгое время», — пояснил Матиас Фукс. Предсказание жидкого стекла оставалось теоретической гипотезой в течение двадцати лет.

Полученные результаты также предполагают, что аналогичная динамика может работать в других системах, образующих стекло, и, таким образом, может помочь пролить свет на поведение сложных систем и молекул, от очень маленьких (биологических) до очень больших (космологических). Это также может быть использовано для разработки новых жидкокристаллических устройств.