Möglicherweise wurde ein verborgener Zustand zwischen der Flüssigkeit und dem Feststoff gefunden

Glas mag wie ein perfekt geordneter Feststoff aussehen, doch aus der Nähe betrachtet ähnelt die chaotische Anordnung seiner Partikel eher dem turbulenten Chaos einer frei fallenden Flüssigkeit, die mit der Zeit erstarrt.

Die Materialien in diesem Zustand, sogenannte amorphe Feststoffe, entziehen sich einer einfachen Interpretation. Neue Forschungsergebnisse mit Berechnungen und Simulationen liefern Hinweise. Insbesondere deutet es darauf hin, dass es irgendwo zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand eine Art Umordnung gibt, von deren Existenz wir nichts wussten.

entsprechend Die Wissenschaftler Dimitrios Vragidakis, Mohamed Hashem und Kranthi Mandadapo von der University of California in Berkeley haben ein Verhalten an der Temperaturgrenze von unterkühlten Flüssigkeiten und Feststoffen entdeckt, bei dem statische Partikel angeregt bleiben und an Ort und Stelle „zucken“.

Im Alltag kennen wir drei Grundzustände der Materie: fest, flüssig und gasförmig oder dampfförmig. Jedes wird durch die Beziehungen zwischen seinen Molekülen und ihrer Umgebung definiert.

Wenn sich eines davon in ein anderes verwandelt – zum Beispiel das Schmelzen eines Feststoffs in eine Flüssigkeit oder das Verdampfen einer Flüssigkeit in ein Gas – spricht man von einer Metamorphose.

Allerdings ist die Materie etwas komplexer als diese drei Grundzustände. Atome können beispielsweise so heiß werden, dass sich ihre Ladungen verflüchtigen und Plasma entsteht. Beim Abkühlen können einige Teilchenklassen ihre Identität vollständig verlieren und zu einer Quantenunschärfe verschmelzen.

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Amorphe Feststoffe Es ist eine seltsame Mischung aus wohlgeordneten Feststoffen und losen Flüssigkeiten. Während Partikel in Festkörpern dazu neigen, vorhersagbare Verbindungen mit ihren Nachbarn einzugehen, sobald sie bei ausreichend niedrigen Temperaturen an ihrem Platz fixiert sind, weisen amorphe Festkörper eine unregelmäßige Anordnung einer Flüssigkeit auf.

Wie sich diese scheinbar zufälligen Verbindungen von viskosen Strömen fließender Moleküle in ein statisches Spektakel verwandelten, ist alles andere als klar.

Am häufigsten wird Glas verwendet, dessen Elemente Sauerstoff und Silizium beim Erhitzen fließen. Bei langsamer Abkühlung haben diese Partikel Zeit, sich zu einer organisierten kristallinen Struktur namens Quarz zu formen. Bei schneller Abkühlung behalten die Moleküle irgendwie ihre ungeordnete Anordnung bei; Dies ist der Punkt, an dem es zu einem amorphen Feststoff wird, und die Temperatur, bei der dies geschieht, ist die Starttemperatur.

Vragidakis, Hasim und Mandadapo nutzten Berechnungen und Simulationen sowie Ergebnisse früherer Experimente, um festzustellen, dass dieser Übergang möglicherweise nicht sehr subtil ist, da er durch die besondere Aktivität der Teilchen zwischen ihrem normalen flüssigen Zustand und ihrem unterkühlten Zustand gekennzeichnet ist.

„Unsere Theorie sagt die in Modellsystemen gemessene Starttemperatur voraus und erklärt, warum sich sehr kalte Flüssigkeiten um diese Temperatur herum ähnlich wie Festkörper verhalten, obwohl ihre Struktur der einer Flüssigkeit entspricht.“ Mandabo erklärt.

„Die Starttemperatur für die Glasdynamik ähnelt der Schmelztemperatur, bei der eine unterkühlte Flüssigkeit zu einer Flüssigkeit ‚schmilzt‘. Dies sollte für alle unterkühlten Flüssigkeiten oder Glassysteme geeignet sein.“

Obwohl der Gesamtstrom der Atome in der unterkühlten Flüssigkeit praktisch nichts beträgt, ändern die Moleküle ständig ihre Konfiguration, während sie an Ort und Stelle stecken, was zu Bewegungen führt, die als Anregungen bezeichnet werden. Die Forscher behandeln diese Anregungen in einer unterkühlten 2D-Flüssigkeit als Defekte in einem kristallinen Festkörper und berechnen, was passiert, wenn sich die Temperatur ändert.

Sie fanden heraus, dass die gebundenen Anregungspaare bei der Anfangstemperatur nicht mehr korrelieren, was dazu führt, dass das Material seine Festigkeit verliert und sich wie eine normale Flüssigkeit verhält.

Das Team glaubt, dass sein Modell erweitert werden kann, um zu verstehen, wie Transformation auch in drei Dimensionen funktioniert, und um eine theoretische Grundlage für zukünftige experimentelle Arbeiten zu schaffen.

„Das ganze Unterfangen besteht darin, mikroskopisch zu verstehen, was eine unterkühlte Flüssigkeit von einer Hochtemperaturflüssigkeit unterscheidet.“ sagt Mandabo.

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

Die Forschung wurde veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.