科學家推測液體與固體之間的隱藏相變

塑料或玻璃製成的任何物質都被稱為非晶材料。與許多在冷卻時會結晶成固體的材料不同，非晶材料中的原子和分子在冷卻過程中並不會堆疊形成晶體。事實上，雖然我們通常將塑料和玻璃看作“固體”，但它們實際上保持在一種更準確地描述為超冷液體的狀態，並且流動速度極慢。儘管這些“玻璃動態”材料在我們的日常生活中無處不在，但它們在微觀層面上如何變得堅硬已長久以來使科學家們困惑。

現在，來自美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員發現了超冷液體中的分子行為，這代表著液體與固體之間的一種隱藏相變。

他們對於這一現象的理解適用於普通材料，如塑料和玻璃，並可能幫助科學家們開發用於醫療設備、藥物遞送和增材製造的新型非晶材料。

具體而言，通過理論、計算機模擬和先前的實驗，科學家們解釋了為什麼這些材料中的分子在冷卻時保持像液體一樣無序，直到在一個稱為啟動溫度的特定溫度下急劇轉向類固體狀態——有效地變得如此黏稠以至於幾乎不再移動。這種剛性開始的變化——一種以前未知的相變——正是超冷液體與正常液體之間的區別所在。

這一發現不僅為非晶材料的微觀行為提供了新的見解，還將促進材料科學及相關應用的進展，支持醫療、生物技術和其他高科技領域的發展。

“我們的理論預測了在模型系統中測量的啟動溫度，並解釋了為什麼超冷液體在該溫度附近的行為類似於固體，儘管它們的結構與液體相同，”Kranthi Mandadapu，伯克利實驗室化學科學部的工作科學家、加州大學伯克利分校化學工程教授，以及該項工作的負責人，這項工作發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

任何超冷液體都在多種分子構型之間不斷跳動，這導致了被稱為激發的局部粒子運動。在他們提出的理論中，Mandadapu、博士後研究員Dimitrios Fraggedakis和研究生Muhammad Hasyim將2D超冷液體中的激發視為晶體固體中的缺陷。當超冷液體的溫度升高到啟動溫度時，他們提出，每一對被束縛的缺陷都會分開成為無束縛的對。在精確的這個溫度下，缺陷的解束使得系統失去剛性，開始表現得像正常液體。

“玻璃動態的啟動溫度就像是‘熔化’超冷液體的熔點，將其轉變為液體。這一現象應與所有超冷液體或玻璃系統相關，”Mandadapu說。

這項研究揭示了超冷液體和玻璃狀態之間的關鍵聯繫，能夠幫助科學家們更好地理解這些物質的行為，並為未來的技術應用提供重要的理論基礎。這些見解也可能促進材料科學的進步，特別是在開發具有改進性能和穩定性的材料方面。

這一理論和模擬捕捉到了玻璃動態的其他關鍵特性，包括觀察到在短時間內，少數粒子移動而液體的其餘部分則保持不動的情況。

“整個研究的目標是從微觀層面理解超冷液體和高溫液體之間的區別，”Mandadapu說。

Mandadapu和他的同事們相信他們將能夠將其模型擴展到三維系統。他們還打算進一步擴展研究，解釋局部運動如何導致進一步的鄰近激發，最終導致整個液體的放鬆。這些組件的結合能夠提供一個一致的微觀視角，揭示玻璃動態是如何以與現有先進觀察結果相一致的方式出現的。

“從基礎科學的角度來看，研究為什麼這些超冷液體表現出與我們所知的普通液體有著顯著不同的動力學，真是令人著迷，”Mandadapu表示。

這些發現不僅推進了我們對液體行為的理解，還可能為改進材料設計和優化對環境變化的反應提供新思路，對於能源保存和材料科學的發展具有重要的應用潛力。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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