Ученые открыли новое состояние вещества – «жидкое стекло»

Открытие жидкого стекла проливает свет на старую научную проблему стеклования. Междисциплинарная группа исследователей из Университета Констанца (Германия) открыла новое состояние вещества - жидкое стекло с ранее неизвестными структурными элементами.

Хотя стекло уже давно является действительно повсеместным материалом, который мы используем ежедневно, оно также представляет собой серьезную научную головоломку. Вопреки тому, что можно было ожидать, истинная природа стекла остается загадкой, а научные исследования его химических и физических свойств все еще продолжаются. В химии и физике термин «стекло» само по себе является изменчивым понятием: оно включает в себя вещество, которое мы знаем как оконное стекло, но оно также может относиться к ряду других материалов со свойствами, которые можно объяснить, ссылаясь на поведение стекла, включая например, металлы, пластмассы, белки и даже биологические клетки.

Хотя это может произвести впечатление, стекло - это что угодно, но не всегда твердое. Обычно, когда материал переходит из жидкого в твердое состояние, молекулы выстраиваются в линию, 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.

На сегодняшний день в большинстве экспериментов с коллоидными суспензиями используются сферические коллоиды. Однако большинство природных и технических систем состоит из частиц несферической формы. Используя химию полимеров ученые произвели небольшие пластиковые частицы, растягивая и охлаждая их до тех пор, пока они не приобретут эллипсоидную форму, а затем поместила их в подходящий растворитель. 

Затем исследователи изменили концентрацию частиц в суспензиях и отслеживали поступательное и вращательное движение частиц с помощью конфокальной микроскопии. Они отметили, 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 потенциально влияет на разработку жидкокристаллических устройств.