Staklo bi moglo izgledati i osećati se kao savršeno uređena čvrsta materija, ali izbliza njegov haotičan raspored čestica više liči na buran nered tečnosti koja slobodno pada i zamrznuta u vremenu.
Poznati kao amorfne čvrste materije, materijali u ovom stanju prkose lakom objašnjenju. Novo istraživanje koje uključuje računanje i simulaciju daje tragove. Konkretno, to sugeriše da je negde između tečnog i čvrstog stanja neka vrsta preuređivanja za koju nismo znali da postoji.
Prema naučnicima Dimitrios Fraggedakis, Muhammad Hasiim i Kranthi Mandadapu sa Univerziteta Kalifornije u Berkliju, postoji ponašanje na temperaturnoj granici superohlađenih tečnosti i čvrstih materija gde statičke čestice ostaju uzbuđene, „trzaju se“ na mestu.
Uglavnom smo upoznati sa tri osnovna stanja materije u svakodnevnom životu: čvrsta, tečna i gasovita ili para. Svaki je definisan odnosima između njihovih čestica i okruženja.
Kada se jedno od njih promeni u drugo – čvrsta materija koja se topi u tečnost, ili tečnost koja isparava u gas, na primer – ovo je poznato kao prelaz stanja.
Ali materija je dosta složenija od samo ta tri osnovna stanja. Atomi mogu postati toliko vrući, na primer, da se njihovi naboji razlete i formiraju plazmu. Ohlađene, neke klase čestica mogu potpuno izgubiti svoj identitet da bi se stopile u kvantnu zamućenost.
Amorfne čvrste materije su čudne mešavine dobro uređenih čvrstih materija i slabo vezanih tečnosti. Tamo gde čestice unutar čvrstih tela imaju tendenciju da formiraju predvidljive veze sa svojim susedima kada se zaglave na mestu na prikladno niskim temperaturama, amorfne čvrste materije imaju neuređeni raspored tečnosti.
Kako se ove naizgled nasumične veze prelaze sa viskoznih tokova tekućih molekula u statični pejzaž daleko je od očiglednog.
Koristeći staklo kao najpoznatiji primer, njegovi sastavni elementi kiseonik i silicijum teku kada se zagreju. Polako ohlađene, te čestice imaju vremena da se formiraju u uređenu kristalnu strukturu zvanu kvarc. Ako se brzo ohladi, čestice nekako zadržavaju neuređeni raspored; ovo je tačka u kojoj postaje amorfna čvrsta supstanca, a temperatura na kojoj se javlja je temperatura početka.
Fraggedakis, Hasiim i Mandadapu su koristili računanje i simulaciju, u kombinaciji sa rezultatima prošlih eksperimenata, da bi utvrdili da ovaj prelaz možda nije tako uredan, sa posebnom aktivnošću čestica koje se nalaze između svog normalnog tečnog i superohlađenog stanja.
„Naša teorija predviđa početnu temperaturu merenu u modelskim sistemima i objašnjava zašto ponašanje prehlađenih tečnosti oko te temperature podseća na čvrste materije iako je njihova struktura ista kao i tečnosti“, objašnjava Mandadapu.
„Početna temperatura za staklastu dinamiku je kao temperatura topljenja koja ‘topi’ superohlađenu tečnost u tečnost. Ovo bi trebalo da bude relevantno za sve superohlađene tečnosti ili staklaste sisteme.“
Iako je ukupan tok atoma u prehlađenoj tečnosti efektivno plitkast, čestice neprekidno menjaju svoju konfiguraciju dok su zaglavljene na mestu, što rezultira pokretima koji se nazivaju ekscitacije. Istraživači su tretirali ove pobude u 2D superohlađenoj tečnosti kao defekte u kristalnoj čvrstoj materiji i izračunali šta se dešava kada se temperatura menja.
Otkrili su da vezani parovi pobuda postaju nevezani na početnoj temperaturi, što dovodi do toga da materijal gubi svoju krutost i ponaša se kao normalna tečnost.
Tim veruje da se njihov model može proširiti da bi razumeo kako tranzicija funkcioniše iu tri dimenzije, i da ponudi teorijsku osnovu za budući eksperimentalni rad.
„Čitava potraga je da se mikroskopski razume šta razdvaja superohlađenu tečnost i tečnost visoke temperature“, kaže Mandadapu.
„Fascinantno je sa tačke gledišta osnovne nauke ispitati zašto ove prehlađene tečnosti pokazuju značajno drugačiju dinamiku od običnih tečnosti koje poznajemo.“
