全新的物质状态:液态玻璃

作者:编译 | 周郅璨来源:环球科学发布时间:2021-01-14

物理学家在玻璃的固液转变研究中发现了一种全新的物质状态,他们称这种介于固态和液态(如凝胶)之间的新物质状态为“液态玻璃”。	

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图片来源:pixabay

研究人员通过化学方法合成了球状的聚合物核壳胶体粒子,并用不同的荧光基团染色。之后对胶体粒子进行热机械拉伸,使其成为椭球状,冷却并稳定化处理后,再将它们混合入合适的溶剂中。用这种方法制备的胶体粒子尺寸为微米级别,它们相对于原子和分子更大,更便于使用光学显微镜观察研究。同时,由于其独特的形状,这种粒子更具方向性。

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粒子的扫描电子显微镜照片,插图为共聚焦显微镜成像,横线长为5μm。图片来源:PNAS January 19, 2021 118 (3) e2018072118

德国康斯坦茨大学软凝聚态理论教授马蒂亚斯·福克斯(Matthias Fuchs)谈到:“我们的实验从理论高度来看十分有趣,它为临界波动和玻璃状阻滞之间相互作用的存在提供了证据,这是科学界一直在研究的问题。”

当材料从液态转变成固态,分子通常会排列成长程有序的晶体结构,但玻璃并非如此,其分子会被锁定在无序的状态中。研究中,研究人员改变了悬浮液中的粒子浓度,使用共聚焦显微镜追踪粒子在三维空间中的平移和旋转运动。当粒子密度到达一定程度之后,转动自由度被冻结,而平移运动依旧存在,由于粒子呈椭球状,因此可以观察到转动自由度被冻结时粒子的角度。他们发现,这些粒子聚集形成了取向近似的局部玻璃态结构,在材料内部形成阻塞,阻止液晶的形成。该状态即被称为液态玻璃,这意味着,这些粒子的灵活程度高于玻璃中的分子。

康斯坦茨大学物理化学系教授安德烈亚斯·祖姆布希(Andreas Zumbusch)解释说:“由于我们的粒子独特的形状,它们具有方向性,这是不同于球状粒子的,这导致了全新的、从未研究过的复杂现象。”

实际上,液态玻璃产生于两种相互竞争的玻璃态转变的相互作用:一是规则相变,另一种是非平衡相变。其中,影响液态玻璃制备的关键因素是粒子的形状和浓度。此前,液态玻璃一直是理论上的预测,研究人员希望这次的发现,可以帮助我们更好地理解玻璃态转变是如何在微纳尺度下工作的。

该研究进一步表明,这一发现不仅仅局限于玻璃体系,类似的动力学还可能有助于揭示,从最小的生物细胞到整个宇宙系统中,所有无法解释的复杂系统和无序状况背后的原因。同时,还有助于指导生产应用,如胶体上层结构的自组装,液晶器件的未来发展等。

参考链接:

https://www.sciencealert.com/scientists-have-discovered-a-new-state-of-matter-called-liquid-glass

https://www.pnas.org/content/118/3/e2018072118#sec-7

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