Mokslininkai tiria skysčius, kurie yra stabilesni už kietas medžiagas

Savo tyrimą mokslininkai aprašė prestižiniame žurnale „Nature Physics“. Tiesa, eksperimentas buvo atliktas ne su realiai egzistuojančiomis medžiagomis, o atliekant kompiuterinį modeliavimą, kurio metu sukurtas skystis, kuris elgiasi visai ne kaip skystis. Ir nors eksperimentas buvo virtualus, jis suteikia peno mintims apie tai, kaip susidaro kristalai, tikina mokslininkai.

Savo ruožtu naujos žinios mokslininkams gali padėti išsiaiškinti kaip sutrukdyti medžiagoms susikristalizuoti, kuomet reikia, kad jos išlaikytų amorfines savybes.

Kurdami tokių keistų fizikinių savybių skysčius, mokslininkai pradėjo nuo koloidų – skysčių, kuriuose suspenduotos mažos dalelės. Klasikinis tokio skysčio pavyzdys yra pienas, kurio didžiąją dalį sudaro vanduo, bet jis mums atrodo baltas, nes vandenyje yra mažučių riebalų ir baltymų lašelių. Bet užšaldžius pieną gausite kristalizuotą vandenį (ledą), o baltoji frakcija atsiskiria ir, jeigu atšaldymas pakankamas, taip pat sukietėja.

„Koloiduose dalelės yra pakankamai mažos, kad terminė energija taptų svarbia“, - sakė tyrimo vadovas, Romos (Italija) La Sapienza universiteto fizikas Frankas Smallenburgas.

Tačiau tinkamai susijungus koloidų molekulėms kristalizacija neįvyksta. Vietoje kristalizavimosi koloidas tampa stabilia struktūra, kuri fiziškai atrodo tarsi kieta medžiaga, nors jos molekulinė struktūra yra kaip skysčio.

F. Smallenburgas koloidinius tirpalus modeliavo kompiuteriu, kuriam pateikė lygtis, aprašančias kaip šis tirpalas kinta mažėjant temperatūrai. Naudojantis kompiuteriniu molekulių su keturiomis jungtimis modeliu mokslininkas nustatė, kad jeigu jungtys yra nejudrios, tuomet kristalizacija įvyksta greitai. O jeigu jungtys yra lanksčios, tuomet molekulės išsaugodavo neorganizuotą tarpusavio struktūrą ir sudarydavo stambius aglomeratus. Dar daugiau aušinant jos tapdavo panašiomis į stiklą – nors ir išsidėsčiusios netvarkingai, jos buvo netakios, sudarydavo kietą amorfinę medžiagą.

„Kai padidinamas jungčių lankstumas, skysčio fazė išlieka stabili net ekstremaliai žemoje temperatūroje. Tos dalelės tiesiog niekada nesuformuoja tvarkingų kristalų, nebent jos būna veikiamos dideliu slėgiu“, - aiškino mokslininkas.

Molekulės su lanksčiomis jungtimis taip elgiasi dėl dviejų jėgų, konkuruojančių auštančiame skystyje: energijos ir entropijos, kuri yra sistemos netvarkingumo matas. Skysčiuose visos molekulės lakioja netvarkingai, atsitiktinai, o kristaluose jos išsidėsto į tvarkingas gardeles. Taigi, skysčių entropija yra didesnė nei kietų medžiagų.

Skysčiui auštant, molekulės juda vis vangiau. Jos turi mažiau energijos, taigi, bando išsidėstyti taip, kad joms judėti būtų lengviau (tai reikalautų mažiau energijos). Vandens molekulės tarpusavy jungiasi tam tikru kampu, nes tam reikia mažiau energijos; iš snaigių pažįstama šešiakampė forma yra būtent mažiausių energijos sąnaudų siekio pasekmė. Tuo pačiu metu vėstant vandeniui mažėja ir entropijos kiekis – mažėja betvarkė tarp molekulių, rašo livescience.com.

Koloidinės molekulės su lanksčiais ryšiais gali sudaryti įvairesnes jungtis su kitomis skysčio molekulėmis. „Kai jungtys yra pakankamai lanksčios, atsiranda daugiau variantų visoms dalelėms susijungti su keturiais kaimynais ir sudaryti netvarkingas struktūras.“, - sakė mokslininkas

Tokių medžiagų aušinimo rezultatas – skystis, kurio savybės yra tokios, kaip kieto kūno.

Pasak mokslininko, kompiuterinis modeliavimas nusako ir kai kurias realias sistemas. Esama polimerų ir didelių organinių molekulių – pavyzdžiui, DNR – kurių charakteristikos yra panašios. Galima modeliuoti netgi vandenį ir silicio dioksidą.

Kitas mokslininkų darbo etapas – naudojant polimerus eksperimentuoti su realiomis medžiagomis. F. Smallenburgas pažymėjo, kad jis ir kolegos bendradarbiauja su polimerus, kurie pakaitinus elgiasi tarsi silicio dioksidas, tiriančiais Prancūzijos mokslininkais. Įdėjus šiek tiek darbo, galima būtų sumodeliuoti ir tokių polimerų elgseną aušinant, mano mokslininkas.