Как получить жидкость, которая будет прочнее кристалла?
Охладите что угодно до нужной степени, и оно станет твердым кристаллом, гласит классическая физическая теория. Но двое ученых провели эксперимент, где тело в жидком состоянии становится более прочным, чем в твердом кристаллическом, сообщает Live Science.
«Жидкость-которая-не-жидкость» была создана из виртуальных молекул. На первой стадии опыта ученые взяли коллоид – жидкость, в которой рассеяны мелкие частицы. Классический пример коллоида – молоко: вода, белая от частиц жиров и белков. Но заморозьте молоко – и получите обычный лед, где белое вещество отделится и само затвердеет.
Но если связать молекулы коллоида определенным образом, кристаллизации не произойдет – а коллоид примет стабильную форму, которая кажется твердой, но на самом деле обладает молекулярной структурой жидкости.
Фрэнк Смолленбёрг (Frank Smallenburg), физик из римского университета Ла Сапиенца построил на компьютере модель коллоида и ввел уравнения, описывающие его поведение при падении температуры. Если у молекул (с четырьмя связями) прочные связи – кристаллизация происходит быстро. Если же они гибкие – связи остаются в беспорядке и молекулы соединяются в комковатые группы. Если их охладить еще сильнее, они станут похожи на стекло – беспорядочные молекулы, которые не льются, но всё равно образуют какое-то аморфное твердое тело.
«Если сделать молекулярные связи более подвижными, то жидкая фаза вещества не проходит даже при экстремально низких температурах. Частицы не складываются в кристаллы – только если их дополнительно подвергнуть высокому давлению», - рассказывает Смолленбёрг.
Причина такого поведения молекул – борьба двух сил в охлаждающейся жидкости: энергии и энтропии (степени беспорядочности системы). В жидкостях все молекулы сталкиваются друг с другом в случайном порядке, а в кристалле они организованы в четкие повторяющиеся структуры. Таким образом, в жидкостях энтропии больше.
По мере охлаждения жидкости молекулы движутся всё меньше и меньше. Их энергия падает, и они пытаются «улечься» так, чтобы минимально ее расходовать. Знакомые всем шестигранные кристаллы воды – один из таких «экономных» способов связи. Одновременно, по ходу замерзания воды, падает и энтропия (степень беспорядка) воды.
Но молекулы коллоидов с подвижными связями способны образовать куда более разнообразные структуры. «При достаточной подвижности связей, количество способов соединить все частицы с их четырьмя соседями (и создать аморфную структуру) куда больше, чем стандартные геометрически правильные кристаллы», - рассказывает Смолленбёрг.
Эта компьютерная модель описывает и некоторые реальные вещества, утверждает ученый. Существуют полимеры и большие органические молекулы (типа ДНК), обладающие сходными свойствами.
Ученые собираются проводить реальные эксперименты вместе со своими французскими коллегами, изучающими полимеры, которые при нагреве ведут себя как окись кремния. Также полученные знания помогут научиться останавливать процесс кристаллизации, когда вещество по какой-то причине нужно удержать в аморфном состоянии.
Данные исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
Артём Космарский nauka21vek.ru