Процесс перехода жидкости в стекло представляет собой сложную в науке процедуру, как и переход стекла в жидкость, известный как плавление стекла. В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances , Ци Чжан и исследовательская группа по физике из Гонконгского университета науки и технологии в Китае собрали коллоидные стекла методом осаждения из паровой фазы и расплавили их, чтобы наблюдать динамику стеклования.
Структурные и динамические параметры, насыщенные на разных глубинах, определяют поверхностный жидкий слой и стеклообразный промежуточный слой. Ученые наблюдали кинетику одиночных частиц с различными особенностями, чтобы подтвердить теоретические предсказания плавления поверхностного слоя стекла.
Динамика плавления стекла
Процесс плавления стекла не является, как предполагалось, обратным процессом стеклообразующего перехода от жидкости к стеклу. Механизм стеклоплавления находится на предварительной стадии разработки, в отличие от интенсивно изучаемого механизма стеклообразующих переходов . Ультрастабильные стекла продемонстрировали неоднородное плавление поверхности в механизме предварительного плавления поверхности, чтобы предотвратить плавление изнутри.
Ученые-полимерщики изучали атомарные и молекулярные сверхстабильные стекла и описали коллоиды как выдающиеся модельные системы для изучения поведения при плавлении стекла из-за частиц микронного размера и тепловых движений, которые можно наблюдать с помощью оптической микроскопии . Коллоиды предоставляют важную микроскопическую информацию о объемном стекле, включая информацию о плавлении объемного стекла, вызванном сдвигом.
Исследователям еще предстоит изучить термически индуцированное объемное или поверхностное плавление на уровне отдельных частиц, поскольку для этого требуются коллоиды с регулируемым притяжением . В этой работе Чжан и его коллеги использовали привлекательные коллоиды для измерения микроскопической кинетики в различных диапазонах температур , для изучения медленных и быстрых изменений температуры для однослойных и многослойных образцов, а также для понимания их траекторий предварительного плавления и плавления.
Эксперименты по плавлению стекла: предварительное плавление поверхности при медленных изменениях температуры
Во время экспериментов Чжан и его команда включили смесь 50:50 полимерных сфер, чтобы предотвратить кристаллизацию, и добавили краситель, чтобы вызвать притяжение между полиметилметакрилатными сферами. Они закачивали краситель в ненагретую область с помощью термофореза, чтобы уменьшить силу притяжения при линейном увеличении эффективной температуры.
В результате были получены однослойные и многослойные коллоиды. Команда собрала коллоидные стекла методом осаждения из паровой фазы, чтобы сформировать сверхстабильные молекулярные стекла . Они заметили частицы с помощью оптической микроскопии и отследили броуновское движение частиц с помощью анализа изображений.
Влияние медленного изменения температуры на структурно-динамические параметры
Ученые отметили полное плавление в массе при 25,3 градуса Цельсия. В процессе предварительного плавления кристаллов исследователи теоретически предсказали степенной рост толщины поверхности жидкости и наблюдали результаты экспериментально и с помощью моделирования . Команда количественно определила взаимосвязь между локальной структурой и динамикой, где область с низкой плотностью вблизи поверхности демонстрировала переходное поведение хрупкого стекла, связанное с модами, в то время как область с высокой плотностью вблизи объема демонстрировала аррениусовское поведение прочного стекла .
Этот переход от хрупкого к сильному при понижении температуры также наблюдался в воде , металлических стеклах и органических/неорганических стеклах . Настоящее исследование сосредоточено на структурно-динамической корреляции объемного стекла и переохлажденной жидкости при условии связи вблизи поверхности.
Многослойная динамика и изменения температуры
В то время как монослойные и двухслойные коллоидные кристаллы демонстрировали отчетливо разные характеристики поверхности перед плавлением и плавлением, монослойные и многослойные коллоидные стекла сохраняли сходство во время плавления и предварительного плавления. Плавление кристалла обычно наблюдается при резком повышении температуры выше точки плавления. Чтобы облегчить это, команда резко изменила температурный режим для изучения процессов как плавления, так и предварительного плавления в стекле.
Температура стеклования была ниже при быстрых изменениях температуры по сравнению со значением при медленных изменениях температуры. Двухслойные и трехслойные стекла, подвергнутые быстрому изменению температуры, продемонстрировали сходное поведение перед плавлением. Исследователи уже наблюдали постоянную скорость плавления в сверхстабильном стекле без экспериментальных испытаний и с помощью моделирования , что согласуется с наблюдениями, сделанными в этом исследовании.
Области кооперативной перестройки
Чжан и его команда отметили области кооперативной перестройки, которые имеют решающее значение для релаксации стекла вблизи поверхности. Они определили эти области как кластеры, состоящие как минимум из двух подвижных частиц, и предположили, что они содержат компактное ядро, окруженное струнообразным покрытием.
По мере того, как эффективная температура увеличивалась со временем, морфология материала менялась от компактной к нитевидной композиции, как это предсказывалось и наблюдалось в объемных стеклах. В процессе нагревания область поляризованной кооперативной перестройки на поверхности монослойного стекла менялась с параллельной на почти перпендикулярную, что способствовало плавлению. Обратное было верно для этих областей при выращивании стекла методом осаждения из паровой фазы.
Перспектива
Таким образом, Ци Чжан и его коллеги провели кинетику отдельных частиц, чтобы выявить два поверхностных слоя в стекле. Жидкий слой наверху оставался стабильным при фиксированной температуре вместо того, чтобы распространяться в объем, что указывает на предварительное плавление, а не на плавление. Они отметили сходство между стеклом и кристаллами в процессе предварительного плавления и плавления, например, обычные стекла демонстрировали объемное плавление, подобное зародышеобразованию, очень похожее на кристаллы, что подтверждает термодинамическое происхождение стеклования . Ученые-полимерщики все еще находятся на предварительной стадии изучения плавления поверхности стекла, что требует теоретических и экспериментальных подробностей на уровне отдельных частиц.
До сих пор моделирование было сосредоточено на скорости фронта плавления и глубине перехода от поверхностного к объемному плавлению , в то время как концепция предварительного плавления стекла еще предстоит подробно обсудить. Поверхность стекла также показала дополнительный стеклообразный слой в отличие от процессов предварительного плавления кристалла, которые выходят за рамки теории предварительного плавления . Хотя наблюдаемые здесь результаты поведения предварительного плавления/плавления аналогичны объемным стеклам , они отличаются от динамики поведения монослойных/двуслойных кристаллов.
