Эксцентричная жидкость стабильней твердого кристалла

Эксцентричная жидкость стабильней твердого кристалла

При достаточном охлаждении жидкость становится твердым кристаллом, в соответствии с традиционными законами физики. Но это не всегда так, двое ученых думают, что они нашли именно те случаи, когда в жидко-подобном состоянии жидкость стабильней, чем твердый кристалл.

Для эксперимента, который подробно описан в выпуске журнала Nature Physics, использовали компьютерное моделирование, чтобы создать жидкость, которая не является жидкостью. Хотя эксперимент был проведен с виртуальными, а не реальными молекулами, он предлагает важное понимание того, как сделаны кристаллы. Это знание, в свою очередь, может сообщить, ученым много о том, как предотвратить кристаллизацию вещества, при необходимости, или держать их аморфными.

Охлаждение коллоидов

Чтобы получить эту эксцентричную жидкость, исследователи начали с коллоидов или с жидкости с мельчайшими частицами, находящимися в ней. Классическим примером является молоко, которое имеет в основе воду, но у него белый цвет, потому что частицы жира и белка, плавают в нем. После замораживания молока, вода кристаллизуется, превращаясь в лед, в то время как белое вещество отделяется и затвердевает, при достаточно высоком охлаждении. Но если молекулы коллоидной связь правильно присоединены друг с другом, кристаллизации не будет. Вместо этого коллоиды принимают стабильную форму, кажутся твердыми, но молекулярная структура остается жидкой.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Используя компьютерную модель молекулы с четырьмя связями, ученые увидели, что, если эти связи были крепкими, кристаллизация произойдет быстро. Но если они были гибкими, и связи остались неупорядоченными, они могут создать шероховатое скопление. После дополнительного охлаждения, они становятся как стекло — неупорядоченные молекулы, которые не текут, но образуют своего рода аморфное твердое вещество.

При более гибкой связи, жидкая фаза остается стабильной даже при экстремально низких температурах. Частицы просто не могут превратиться в кристаллы, если только они не будут сжаты до высоких плотностей.

Энергии и энтропии

Молекулы с гибкими связями, кристаллизуются или остаются в жидком состоянии, из-за двух конкурирующих сил в охлаждающей жидкости: энергии и энтропии, которые являются мерой того, насколько система не упорядочена. В жидкостях, связи всех молекул случайны, в то время как в виде кристалла они отсортированы в закономерности, так что жидкости обладают большей энтропией, чем кристаллические твердые тела.

720771

Когда жидкость охлаждается, молекулы двигаются все меньше и меньше. У них меньше энергии, поэтому они пытаются организовать себя как можно проще, тем самым не теряя большого количества силы. Такие молекул как водяные, будут связываться друг с другом под определенным углом, потому что это для этого требуется меньше энергии. В то же время, количество энтропии фактически уменьшается, когда вода замерзает.

Коллоидные молекулы с гибкими связями имеют больше возможности для связи с соседними молекулами в жидком состоянии. Когда связи являются достаточно гибкими, число способов, которыми можно соединить частицы к четырем соседним молекулам, больше, тем самым образование неупорядоченных структур гораздо больше, чем число связывающих моделей в кристалле. В результате получается жидкость, которая ведет себя как твердое вещество.

Компьютерное моделирование позволяет описать реальные системы. Есть полимеры и большие органические молекулы, например ДНК, которые имеют аналогичные характеристики. Даже вода и диоксид кремния могут быть смоделированы.

Следующим шагом будет экспериментирование с реальными материалами для изучения полимеров.

Автор

Запись опубликована 6 Август 2013 в разделе Технологии