Исследователи заметили, что подвижность частиц в этих прекурсорах была чрезвычайно ограничена и далее уменьшалась с переохлаждением, в то время как их количество быстро увеличивалось. При наличии лишь небольшого количества прекурсоров кристаллизация все еще может начаться на поверхности.
Однако чем больше этих предшественников присутствует, тем большую часть своей поверхности они блокируют. Более того, поскольку число предшественников со временем все еще увеличивается, система вскоре заклинивает, и вся дальнейшая динамика прекращается.
Это означает, что с определенного момента переохлаждения и в дальнейшем образование кристаллов становится невозможным. Результаты этой исследовательской работы, выполненной в Высшей школе передового опыта JGU «Материаловедение в Майнце» (MAINZ), недавно были опубликованы в журнале Nature Physics в качестве расширенной онлайн-публикации.
Стекло и хрусталь — это две разные структуры, но любая из них может образоваться из расплава. В случае стекла атомы сохраняют свое неорганизованное состояние, подобное тому, которое наблюдается в жидкостях, тогда как в кристаллах они принимают очень правильную структуру решетки. Именно процесс затвердевания определяет, какой тип структуры будет сформирован.
Физические эксперименты, проводимые в Университете Майнца, не были сосредоточены на производстве определенного стекла, например, для использования в защитных окнах или волоконной оптике для целей связи. Они были скорее нацелены на глубокое понимание процесса формирования стекла в целом, что является традиционной темой исследований в группе JGU Condensed Matter Physics. Исследователи изучали образование аморфных твердых тел в целом и использовали экспериментальную модельную систему для твердых сфер.
Здесь переохлаждение осуществляется не за счет снижения температуры, а за счет увеличения концентрации полимерных сфер. Кристаллы образуются, когда более 50 процентов объема занимают твердые сферы в суспензии, тогда как стекла образуются более чем на 60 процентов. Такие системы микрополимерных сфер в растворителе были предметом интенсивных исследований в течение последних десятилетий, поскольку они точно имитируют поведение идеальных твердых сфер, которые хорошо изучены теорией и компьютерным моделированием.
С 1990-х годов известно, что расплавы твердых сфер содержат как области разной плотности и порядка, так и области, которые различаются с точки зрения подвижности атомов, то есть области структурной и динамической неоднородности. С тех пор роль этих двух факторов в процессе затвердевания стала предметом интенсивных дебатов физиков-теоретиков. «Что мы сейчас установили, так это то, что эти регионы на самом деле идентичны, что положило конец противоречиям», — сказал профессор Томас Палберг из Института физики Университета Майнца, объясняя результаты своего исследования.Картирование подвижности в суспензиях твердых сфер
Чтобы понять происходящие процессы, Себастьян Голде, член Высшей школы передового опыта MAINZ и исследовательской группы Палберга, исследовал модельные системы твердых сфер в оптическом эксперименте. «Мы смогли показать, что области с более плотно упакованными сферами и немного большим порядком совпадают с теми областями, где твердые сферы явно движутся медленнее», — заявил Голд. Это означает, что давняя загадка, касающаяся двух различных областей неоднородности, разрешена.
Используемый метод представляет собой комбинацию статического и динамического светорассеяния. «Мы анализируем, сколько света лазерного луча, направленного на образец, рассеивается в заданном направлении. Это говорит нам о структуре образца.
Но мы также анализируем, как он мерцает после рассеяния. Это говорит нам, насколько быстро движутся частицы», — сказал Голд. , который сам построил свой инструмент, разработанный доктором Хансом Иоахимом Шопе, недавно переехавшим в Тюбингенский университет. Более того, используя умную систему визуализации, Голд смог получить так называемые динамические карты с беспрецедентным разрешением, несколько меньшим, чем у предшественников.
Как и изображение, созданное камерой, результатом является своего рода фотография, которая фиксирует активность динамики в различных регионах. Таким образом, исследователи заметили, что с течением времени образовывалось все больше маленьких плотных областей с медленно движущимися сферами.
Скорость их образования определяет, достаточно ли времени осталось для образования кристаллов до возникновения заклинивания. Поскольку скорость образования прекурсора связана с концентрацией твердых сфер, кристаллизация наблюдается при низких концентрациях твердых сфер. С другой стороны, при более высоких концентрациях эти уплотненные области быстро задерживаются, и система затвердевает в стекло.«Другими словами, стекло образуется, когда образуется так много предшественников кристаллизации, что они фактически задерживают друг друга», — пояснил Палберг. «Для нас это означает, что была обнаружена неожиданная и увлекательная связь между двумя сценариями затвердевания.
Возможно, это был один из самых важных недостающих фрагментов головоломки». Полученные результаты считаются очень общими, но исследование должно быть распространено и на другие модельные системы, чтобы дополнительно подтвердить точку зрения о совпадающих структурных и динамических неоднородностях, ответственных за образование стекла.