يقوم الفيزيائيون بأول ملاحظات مباشرة لكوب من الاسترخاء في سائل فائق البرودة - عالم الفيزياء

يقوم الفيزيائيون بأول ملاحظات مباشرة لكوب من الاسترخاء في سائل فائق البرودة - عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 16 أغسطس 2023 الساعة 12:00 مساءً

صورة مجهرية للقوة الذرية تظهر تشكل التجاعيد الموضعية في الطبقة الزجاجية
لقطة AFM توضح تكوين وتطور التجاعيد المحلية الناتجة عن تحول الطبقة الزجاجية العضوية الوسطى إلى سائل فائق التبريد. بإذن من: J Rodríguez-Viejo

إن الملاحظات المباشرة الأولى في الوقت الفعلي لزجاج فائق الثبات أثناء "ارتخاءه" في سائل فائق التبريد قد مكَّنت الباحثين من تحديد عملية كانت غامضة في السابق تُعرف باسم التزجج. يلعب هذا التحول دورًا مهمًا في العديد من المجالات ، بما في ذلك الحفظ الطبي الحيوي بالتبريد ، وتخليق الأدوية ، وتصنيع الأجهزة الإلكترونية ، وهندسة الأنسجة على سبيل المثال لا الحصر. يمكن أن يكون لهذا العمل أيضًا آثار على الخلايا الشمسية ، والتي غالبًا ما يكون لها طلاء من الزجاج المزخرف.

على الرغم من طبيعة الزجاج في كل مكان في التكنولوجيا الحديثة وحياتنا اليومية ، فإننا لا نفهمها تمامًا. على الرغم من أن الزجاج يبدو صلبًا ، إلا أن بنيته متضاربة للغاية ، لذلك يُنظر إليها أحيانًا على أنها سوائل ذات لزوجة عالية للغاية. ألغاز أخرى تتعلق بكيفية تبريد السوائل وتحويلها إلى أكواب ، و العكس بالعكس عندما يسخن الزجاج حتى يذوب. هل هذا التزجج حالة ديناميكية حرارية مميزة؟ أم أن الزجاج مجرد سائل تم تبريده بشكل فائق - أي أنه يحتفظ بخصائصه السائلة على الرغم من تبريده تحت درجة حرارة التجمد؟

على غرار المواد الصلبة البلورية

لمعالجة هذه الأسئلة وغيرها من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها ، قام باحثون من UAB (UAB) ، و المعهد الكتالوني لعلم النانو وتكنولوجيا النانو (ICN2) ، و جامعة البوليتكنيك في كاتالونيا (UPC) و معهد الالكترونيات الدقيقة في برشلونة (IMB-CNM) طور تقنية مجهرية لمراقبة ما يحدث مباشرة عند تسخين زجاج عضوي فائق الثبات إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة التحول الزجاجي. عملية "الاسترخاء" هذه تحوله إلى سائل.

اختار الباحثون استخدام زجاج عضوي يحمل الاسم الكيميائي N,N′-bis (3-ميثيل فينيل) -N,N′ -diphenylbenzidinem لأنه ينتقل إلى حالة سائلة فائقة التبريد بطريقة مشابهة لتلك الموجودة في المواد الصلبة المتبلورة. في هذا النوع من الانتقال ، تتشكل مناطق صغيرة من الطور السائل ثم تنمو بشكل تدريجي. يتناقض هذا مع الزجاج التقليدي ، الذي ينتقل إلى الحالة السائلة عبر حجم هيكلها دون أي تقسيمات واضحة بين المناطق المختلفة.

يحدث تكوين السائل في مناطق النانو المحلية

لاحظ فريق برشلونة سابقًا هذه العملية بشكل غير مباشر باستخدام القياس النانوي ، وهي تقنية تجعل من الممكن قياس السعة الحرارية في أغشية رقيقة من المواد. في العمل الجديد ، والذي تم تفصيله في فيزياء الطبيعةقدم الباحثون طريقة لرصده مباشرة.

للقيام بذلك ، قاموا بوضع الزجاج العضوي بين طبقتين من زجاج أكثر صلابة مع درجة حرارة انصهار أعلى. عندما قاموا بتسخين الطبقة الزجاجية العضوية إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة التحول الزجاجي ، تسبب الإجهاد الميكانيكي في المناطق السائلة فائقة التبريد الملين في تشوه طبقات الزجاج الخارجية بفضل الاختلاف في معاملات التمدد الحراري بين الطبقات الزجاجية وركيزة السيليكون التي عليها يتكون الزجاج. يمكن ملاحظة هذا التشوه ، الذي يظهر على شكل نتوءات متناهية الصغر وتجاعيد وحواف تكبر تدريجياً ، باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM).

"نظرًا لأن تكوين السائل يحدث في مناطق محلية ذات نطاق نانوي ، فإن التموج السطحي الذي لاحظناه يكون أيضًا موضعيًا ومرتبطًا بشكل مباشر بالسائل شديد البرودة الموجود أسفله ،" كما قال قادة فريق الدراسة خافيير رودريغيز فيجو و كريستيان رودريغيز تينوكو يشرح. "تسمح لنا هذه التقنية ببناء خرائط مكانية-زمانية لتحول الزجاج الرقيق إلى سائل فائق التبريد عن طريق قياس المسافات بين المجالات السائلة التي تظهر مباشرة. يمكن اتباع هذه العملية في الوقت الفعلي ".

يضيف Rodriguez-Viejo أن التزجج الذي لاحظوه أثبت أنه غير متجانس للغاية ، مع وجود مساحات كبيرة بين المناطق السائلة الناشئة. "هذا يعني أن الزجاج لا يتحول مرة واحدة عبر الحجم الكامل إلى سائل فائق التبريد ، كما قد نتوقع بالنسبة للزجاج التقليدي المبرد بالسائل ، ولكنه يتحول خلال فترة زمنية تكون أبطأ بمليون مرة" ، كما يوضح. "في الواقع ، العملية التي لاحظناها تحاكي بطريقة ما آلية التنوي والنمو مثل تلك التي تحدث أثناء تكوين الطور البلوري داخل الزجاج أو ذوبان بلورة متعددة."

يهدف الفريق الآن إلى دراسة التزجج على نطاقات أصغر وعلى فترات زمنية أقصر ، وهو أمر قد يتطلب من الأعضاء تطوير إجراءات وبروتوكولات AFM جديدة. على المدى الطويل ، يقول رودريغيز تينوكو إن نتائج الدراسة يمكن أن تساعد في تحسين الأساليب الصناعية للزخرفة الزجاجية ، والتي تُستخدم في صنع الطلاءات الضوئية والتحكم في خشونة السطح بطريقة تعزز إخراج الضوء في الخلايا الشمسية العضوية.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء