Wissenschaftler vermuten einen verborgenen Phasenübergang zwischen Flüssigkeit und Feststoff

Alles, was aus Kunststoff oder Glas besteht, wird als amorphes Material bezeichnet. Im Gegensatz zu vielen Materialien, die zu kristallinen Feststoffen gefrieren, stapeln sich die Atome und Moleküle in amorphen Materialien beim Abkühlen nie zu Kristallen. Obwohl wir Plastik und Glas üblicherweise als „Feststoffe“ betrachten, bleiben sie tatsächlich in einem Zustand, der genauer als unterkühlte Flüssigkeit beschrieben werden kann, die extrem langsam fließt.

Und obwohl diese „glasartigen, dynamischen“ Materialien in unserem täglichen Leben allgegenwärtig sind, ist Wissenschaftlern lange Zeit unklar, wie sie auf mikroskopischer Ebene starr werden.

Jetzt haben Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums ein molekulares Verhalten in unterkühlten Flüssigkeiten entdeckt, das einen verborgenen Phasenübergang zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff darstellt.

Ihr verbessertes Verständnis gilt für gewöhnliche Materialien wie Kunststoffe und Glas und könnte Wissenschaftlern dabei helfen, neue amorphe Materialien für den Einsatz in medizinischen Geräten, der Arzneimittelabgabe und der additiven Fertigung zu entwickeln.

Konkret erklärten die Wissenschaftler mithilfe von Theorie, Computersimulationen und früheren Experimenten, warum die Moleküle in diesen Materialien beim Abkühlen wie eine Flüssigkeit ungeordnet bleiben, bis sie bei einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Onset-Temperatur, scharf in einen festkörperähnlichen Zustand übergehen. effektiv so viskos werden, dass sie sich kaum noch bewegen. Dieser Beginn der Starrheit – ein bisher unbekannter Phasenübergang – ist es, der unterkühlte von normalen Flüssigkeiten unterscheidet.

„Unsere Theorie sagt die in Modellsystemen gemessene Anfangstemperatur voraus und erklärt, warum das Verhalten unterkühlter Flüssigkeiten bei dieser Temperatur an Feststoffe erinnert, obwohl ihre Struktur mit der der Flüssigkeit übereinstimmt“, sagte Kranthi Mandadapu, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Berkeley Lab Abteilung für Chemiewissenschaften und Professor für Chemieingenieurwesen an der University of California, Berkeley, der die Arbeit leitete, die in veröffentlicht wurde PNAS.

Jede unterkühlte Flüssigkeit springt ständig zwischen mehreren Molekülkonfigurationen hin und her, was zu lokalen Partikelbewegungen führt, die als Anregungen bezeichnet werden. In ihrer vorgeschlagenen Theorie behandelten Mandadapu, der Postdoktorand Dimitrios Fraggedakis und der Doktorand Muhammad Hasyim die Anregungen in einer zweidimensionalen unterkühlten Flüssigkeit, als wären sie Defekte in einem kristallinen Feststoff.

Als die Temperatur der unterkühlten Flüssigkeit auf die Anfangstemperatur anstieg, schlugen sie vor, dass jedes Exemplar eines gebundenen Defektpaars in ein unbegrenztes Paar zerfiel. Bei genau dieser Temperatur verliert das System durch die Auflösung der Defekte seine Festigkeit und beginnt sich wie eine normale Flüssigkeit zu verhalten.

„Die Anfangstemperatur der glasartigen Dynamik ist wie eine Schmelztemperatur, die eine unterkühlte Flüssigkeit zu einer Flüssigkeit ‚schmilzt‘. Dies sollte für alle unterkühlten Flüssigkeiten oder glasartigen Systeme relevant sein“, sagte Mandadapu.

Die Theorie und die Simulationen erfassten weitere wichtige Eigenschaften der Glasdynamik, einschließlich der Beobachtung, dass sich über kurze Zeiträume einige Partikel bewegten, während der Rest der Flüssigkeit gefroren blieb.

„Die ganze Aufgabe besteht darin, mikroskopisch zu verstehen, was die unterkühlte Flüssigkeit von einer Hochtemperaturflüssigkeit trennt“, sagte Mandadapu.

Mandadapu und seine Kollegen glauben, dass sie ihr Modell auf 3D-Systeme erweitern können. Sie wollen es auch erweitern, um zu erklären, wie lokalisierte Bewegungen zu weiteren Anregungen in der Nähe führen, was zur Entspannung der gesamten Flüssigkeit führt. Zusammen könnten diese Komponenten ein konsistentes mikroskopisches Bild davon liefern, wie gläserne Dynamiken entstehen, und zwar auf eine Weise, die mit modernsten Beobachtungen übereinstimmt.

„Aus grundlagenwissenschaftlicher Sicht ist es faszinierend zu untersuchen, warum diese unterkühlten Flüssigkeiten eine bemerkenswert andere Dynamik aufweisen als die regulären Flüssigkeiten, die wir kennen“, sagte Mandadapu.