Процесс образования стекла

Исследователи из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) в Германии изучили процесс образования стекла, который, по их мнению, является связующим звеном между стеклом и кристаллизацией.

Результаты были опубликованы в журнале Nature Physics. Авторами исследования являются Себастьян Голде, Томас Палберг и Ханс Йоахим Шопе из Магистрального университета Йоханнеса Гутенберга в Германии. Исследователи урегулировали противоречия двух противоположных взглядов на то, как образуется стекло. Такие вопросы, как "Это потому, что в некоторых регионах тепловое движение прекращается? Или это потому, что существуют частицы или кластеры, которые не подходят для формирования кристалла?

Исследователи использовали экспериментальную модельную систему для твердых сфер. Они продемонстрировали, что внутри расплава твердых сфер образовались небольшие уплотненные области, состоящие из нескольких сотен сфер. Эти так называемые предшественники являются ранней стадией как кристаллизации при умеренном переохлаждении, так и стеклообразования при сильном переохлаждении. Команда заметила, что подвижность частиц в этих предшественниках была чрезвычайно ограниченной. Это еще больше уменьшилось при переохлаждении, в то время как их количество быстро увеличивалось.

При наличии всего нескольких предшественников кристаллизация все еще может начаться на поверхности. С другой стороны, чем больше этих предшественников, тем большую часть своей поверхности они блокируют. Чем больше количество предшественника увеличивается со временем, тем больше заклинивает систему, и вся дальнейшая динамика прекращается. Это означает, что с определенного момента переохлаждения и с течением времени образование кристаллов больше невозможно.

Команда обнаружила, что со временем образовалось еще больше небольших плотных областей с медленно движущимися сферами. Скорость их образования показывает, достаточно ли времени осталось для образования кристаллов до того, как произойдет заклинивание. Поскольку скорость образования предшественника связана с концентрацией твердых шаров, кристаллизация происходит при низких концентрациях твердых шаров. С другой стороны, при более высоких концентрациях эти уплотненные участки быстро задерживаются, и система затвердевает в виде стекла.

Голде объяснил, что им удалось показать, что области с более плотно упакованными сферами и немного большим порядком совпадают с теми областями, где твердые сферы явно движутся медленнее. Далее он объяснил, что это означает, что давняя загадка, касающаяся двух разных областей неоднородности, разрешена.

С 1990-х годов было известно, что расплавы твердых сфер содержат как области различной плотности и порядка, так и области, которые различаются с точки зрения подвижности атомов. Они включают области структурной и динамической неоднородности. Физики-теоретики долгое время спорили об этих двух факторах, которые возникают в процессе затвердевания. Профессор Палберг сказал, что теперь они установили, что эти области фактически идентичны, тем самым положив конец противоречиям.

Палберг пришел к выводу, что стекло получается, когда образуется так много предшественников кристаллизации, что они фактически задерживают друг друга. Это означает, что между двумя сценариями затвердевания была обнаружена неожиданная и захватывающая связь. Далее он сказал, что это одна из самых важных недостающих частей головоломки.

Стекло определяется как некристаллическое аморфное твердое вещество, которое является прозрачным. У него множество применений, таких как технологическое, практическое и декоративное. Он имеет некристаллическую структуру на атомном уровне и демонстрирует стеклование при нагревании до жидкого состояния.