おそらく液体と固体の間に隠れた状態が見つかった

ガラスは完全に秩序立った固体のように見えるかもしれませんが、間近で見ると、その粒子の混沌とし​​た配置は、時間の経過とともに固化する自由落下液体の乱流の混沌によく似ています。

アモルファス固体として知られるこの状態の物質は、簡単には説明できません。 計算とシミュレーションを含む新しい研究により、手がかりが得られました。 特に、液体状態と固体状態の間のどこかで、私たちが存在を知らなかったある種の再配置が存在することを示唆しています。

によると カリフォルニア大学バークレー校の科学者ディミトリオス・ヴラギダキス氏、モハメド・ハシェム氏、クランティ・マンダダポ氏は、過冷却された液体と固体の温度境界で静的な粒子が励起されたままその場で「ぴくぴく」動作することを発見した。

私たちは日常生活において、固体、液体、気体または蒸気という物質の 3 つの基本的な状態についてよく知っています。 それぞれは、その分子とその周囲の関係によって定義されます。

これらのうちの 1 つが別のものに変化するとき、たとえば固体が溶けて液体になったり、液体が蒸発して気体になったりすることは、変態として知られています。

しかし、物質はこれら 3 つの基本的な状態よりも多少複雑です。 たとえば、原子は非常に高温になり、その電荷が揮発してプラズマを形成することがあります。 冷却されると、一部のクラスの粒子はそのアイデンティティを完全に失い、量子ぼやけに融合する可能性があります。

border Frame=”0″ allowed=”加速度計; 自動再生; クリップボードへの書き込み; 暗号化メディア; ジャイロスコープ; ピクチャーインピクチャー; Web 共有”>allowfullscreen

アモルファス固体 それは、整然と配置された固体とゆるい液体の奇妙な混合物です。 固体内の粒子は、適切な低温で所定の位置に固定されると、隣接する粒子と予測可能な結合を形成する傾向がありますが、非晶質固体では液体が不規則に配置されます。

これらの一見ランダムな接続が、粘性のある分子の流れから静的な光景にどのように変化したのかは、明らかではありません。

最も一般的な例としてガラスを使用すると、加熱すると酸素とシリコンの元素が流動します。 ゆっくりと冷却すると、これらの粒子は石英と呼ばれる組織化された結晶構造を形成する時間がかかります。 急速に冷却すると、分子は何らかの形で無秩序な配置を保持します。 これは、非晶質固体になる点であり、この温度が開始温度となります。

ヴラギダキス氏、ハシム氏、マンダダポ氏は、以前の実験結果と合わせて計算とシミュレーションを用いて、この遷移は通常の液体状態と過冷却状態の間の粒子の特定の活性によって特徴付けられるため、この遷移はそれほど微妙なものではない可能性があることを判断した。

「私たちの理論は、モデルシステムで測定された開始温度を予測し、構造が液体と同じであるにもかかわらず、非常に冷たい液体がこの温度付近で固体と同様に挙動する理由を説明します。」 マンダボが説明する。

「ガラス力学の開始温度は、過冷却液体が液体に『溶ける』融解温度に似ています。これは、すべての過冷却液体またはガラス系に適切なはずです。」

過冷却液体中の原子の総流量は事実上ゼロですが、分子は所定の位置に留まりながら常に構成を変化させ、励起と呼ばれる運動を引き起こします。 研究者らは、過冷却された 2D 液体におけるこれらの励起を結晶固体の欠陥として扱い、温度が変化すると何が起こるかを計算しました。

彼らは、結合した励起ペアが初期温度で無相関になり、材料が固体性を失い、通常の液体のように動作することを発見しました。

研究チームは、モデルを拡張して三次元でも変換がどのように機能するかを理解することができ、将来の実験作業に理論的基礎を提供できると考えています。

「全体的な取り組みは、何が過冷却液体と高温液体を分離するのかを顕微鏡的に理解することです。」 マンダボは言う。

「基礎科学の観点から、なぜこれらの過冷却流体が私たちが知っている通常の流体とは著しく異なる力学を示すのかを研究することは興味深いことです。」

この研究は、 米国科学アカデミーの議事録。