На пръв поглед стъклото е обикновен материал, с който се сблъскваме всеки ден, но физиката в него всъщност е доста сложна и все още не е напълно разбрана от учените. Някои стъкла, като например витражите в много средновековни сгради, са останали твърди в продължение на векове, тъй като съставните им молекули са постоянно замразени в състояние на безпорядък.

По подобен начин преохладените течности не са съвсем твърди – т.е. основните им частици не се придържат към решетъчен модел с дълговременен ред, но те не са и обикновени течности, тъй като частиците също нямат енергия за свободно движение. Необходими са още изследвания, за да се разкрие физиката на тези сложни системи.

В изследване, публикувано в Nature Materials, изследователи от Института по индустриални науки към Токийския университет са използвали усъвършенствани компютърни симулации, за да моделират поведението на фундаменталните частици в стъкловидна свръхохладена течност. Техният подход се основава на концепцията за енергията на активиране на Арениус, която представлява енергийната бариера, която даден процес трябва да преодолее, за да протече.

Пример за това е енергията, необходима за пренареждане на отделни частици в неорганизиран материал. „Поведението на Арениус“ означава, че процесът трябва да разчита на случайни топлинни флуктуации, а скоростта намалява експоненциално с увеличаване на енергийната бариера. Въпреки това ситуациите, които изискват кооперативно пренареждане на частиците, може да са още по-редки, особено при ниски температури. Те понякога се наричат отношения на свръх-Арениус.

Новото изследване е първото, което демонстрира връзката между структурния ред и динамичното поведение на течностите на микроскопично ниво.

„С помощта на числен анализ в рамките на компютърен модел на стъклообразуващи течности ние показахме как фундаменталните пренареждания на частиците могат да повлияят на структурния ред и динамичното поведение“, казва водещият автор на изследването Сеичиро Ишино.

Екипът демонстрира, че процесът, наречен от него „Т1“, който поддържа реда, формиран в течността, е ключът към разбирането на динамиката на сътрудничеството.

Ако Т1 нарушава локалния структурен ред, той трябва да включва независимото движение на частиците, което води до нормално поведение, подобно на това на Арениус. За разлика от това, ако пренареждането на Т1 поддържа местния ред по кооперативен начин, влиянието му се разпространява навън, което води до супер-Арениус поведение.

„Нашето изследване ни предлага нова микроскопична перспектива за отдавна търсения произход на динамичната кооперативност в стъклообразуващите вещества. Очакваме, че тези открития ще допринесат за по-добър контрол на динамиката на материалите, което ще доведе до по-ефективно проектиране на материали и усъвършенстване на процесите за производство на стъкло“, казва старшият автор Хаджиме Танака. Това може да включва по-здрави и издръжливи стъкла за смартфони и други приложения.

Източник: Phys.org