Fizičari razotkrivaju još jedan misterij stakla - zabilježen prijelaz tekućine u staklo

Jasno razlikovanje stanja tvari više je naša idealizacija nego realnost. Često su tvari u stanjima koja je vrlo teško jasno definirati. U znanstvenim krugovima se još vode rasprave je li staklo kruta tvar ili tekućina. Naime, nekada je gotovo nemoguće razlikovati kruto stanje od tekućeg stanja tekućina vrlo visoke viskoznosti.

Istraživači iz Emoryja snimili su gibanje čestice pri prijelasku iz tekućine u staklo. Kada je riječ o staklu, s fizikalnog gledišta, nedostaje mu transparentnosti. Nitko nije znao što se točno događa kada super-ohlađena tekućina prelazi u stakleno stanje – sve do sada. Fizičari sa sveučilišta Emory napravili su film koji prikazuje ovu tajanstvenu tranziciju.

Njihova otkrića, koja pokazuju kako se rotacija čestica odvaja od samog gibanja kroz prostor objavljena su u časopisu „Proceedings of the National Academy of the Sciences.“

„Hlađenje stakla iz tekućeg u visoko viskozno stanje iz temelja mijenja prirodu čestične difuzije“, izjavio je Eric Weeks, fizičar Emoryja, čiji laboratorij je proveo ovo istraživanje. "Osigurali smo prvu izravnu opservaciju kretanja i prevrtanja čestica kroz prostor tijekom ove tranzicije, ključni komad za veliki misterij fizike kondenzirane materije."

Weeks svoju specijalizaciju radi na „mekim kondenziranim materijalima“, tvarima koje se ne mogu usko svrstati u tekućine ili čvrste tvari, poput paste za zube, maslaca od kikirikija, krema za brijanje, plastike i stakla.

Znanstvenici u potpunosti razumiju proces pretvaranja vode u led. Kako temperatura opada, kretanje čestica se usporava. Na temperaturi od 0 C, molekule se povezuju u kristalne rešetke, povezujući se u led.

Nasuprot tome, molekule stakla ne kristaliziraju. Kako temperatura opada, gibanje čestica stakla se usporava no molekule se nikada ne povezuju u kristalne rešetke. Umjesto toga one se izmiješaju te postupno postaju više staklene ili viskozne. Nitko u potpunosti ne razumije zašto je to tako.

Ovaj fenomen nameće fizičarima pitanje jeli staklo čvrsta tvar ili samo iznimno spora tekućina.

Naime, ovo tehnička nedoumica dovela je do poznate zablude: Staklo u prozorima nekih višestoljetnih zgrada je deblje pri dnu zbog toga što teče prema dolje tijekom vremena. „Pravi razlog zbog kojeg je dno deblje je taj što nisu uspjeli izraditi savršeno ravne ploče  za lijevanje stakla u tadašnje vrijeme“, objašnjava Weeks. „Iz praktičnih razloga staklo je kruta tvar te neće početi otjecati čak ni nakon stoljeća stajanja. No ipak postoji zrnce istine u ovoj urbanoj legendi: Staklo je drugačije od ostalih krutih materijala.“

Kako bi istražili što toliko razlikuje staklo od ostalih materijala, Weeksov laboratorij koristio je mješavinu vode i malih plastičnih kuglica, veličine stanične jezgre. Kada je koncentracija dovoljno visoka ovaj sustav ponaša se poput stakla.

Glavni nedostatak ovog modela je to što prave molekule stakla nisu sferične, već nepravilnog oblika.

„Pri hlađenju vrele rastaljene tekućine koja formira staklo, ne samo da se viskoznost povećava bilijun puta, nego se i mijenja način kretanja molekula“, izjavio je Weeks. „Željeli bismo postaviti eksperiment koji bi nam omogućio uvid u takvo gibanje, no kuglice se kreću različito od nepravilnih oblika.“

Međutim, 2011. godine, fizikalni laboratorij Davida Pinea sa Sveučilišta u New Yorku osmislio je način združivanja kuglica u nakupine koje bi oblikovale tetraedre. Kazem Edmond, postdiplomski student na Emoryju, dodao je dosadašnjem modelu stakla ove tetraedarske čestice te proveo eksperiment. Služeći se konfokalnim mikroskopom digitalno je skenirao uzorke dok se viskoznost povećavala, bilježeći pri tome do 100 slika u sekundi. Kao rezultat dobio je film koji prikazuje trodimenzionalno gibanje i ponašanje tetraedarskih čestica dok sustav doseže stakleno stanje.

Ovaj film i podaci prikupljeni pokusom pružaju prvu jasnu sliku o ponašanju čestica prilikom formiranja stakla. Kako tekućina postaje viskoznija, i rotacijsko i translacijsko kretanje čestica se usporava. Iznos rotacije i smjera gibanja čestica ostaju povezani.

„Uobičajeno, ove dvije vrste gibanja vrlo su povezane“, objašnjava Weeks. „To zaista i vrijedi sve dok sustav ne dosegne graničnu viskoznost sa staklom. Tada se rotacija i translacija odvajaju: Rotacija se jače usporava.“

Kako bi objasnio ovakvo ponašanje čestica Weeks za analogiju koristi pretrpano parkiralište. „Vi ne možete jednostavno okrenuti svoj automobil jer nije sferičnog oblika te biste se zabili u susjedni auto. Morate čekati da se pomakne automobil ispred vas kako biste se pomaknuli u tom smjeru. Ovo je translacijsko gibanje, no napravite li mnogo takvih gibanja na posljetku ćete uspjeti okrenuti auto. No ipak, skretanje na prepunom parkiralištu bi još uvijek bilo mnogo teže od kretanja po ravnoj liniji.“

Prijašnji istraživači koristili su prave molekule stakla kako bi opisali razdvajanje ovisnosti rotacije i translacije. Weeksov laboratorij primijenio je jednostavan model koji imitira stakleni materijal kako bi se zaista mogao i vidjeti sam proces razdvajanja.

„Staklo je značajno za svakodnevni život“, rekao je Weeks. „Što više razumijemo njegovu fundamentalna svojstva, moći ćemo ga više unaprijediti te koristiti na različite načine. Na primjer, jedan od razloga zbog kojeg Smartphonei postaju sve manji i bolji je upravo taj što se razvija tanje i čvršće staklo.“

Izvor: Emory University