Οι φυσικοί κάνουν τις πρώτες άμεσες παρατηρήσεις ενός ποτηριού που χαλαρώνει σε ένα υπερψυγμένο υγρό - Physics World

Οι φυσικοί κάνουν τις πρώτες άμεσες παρατηρήσεις ενός ποτηριού που χαλαρώνει σε ένα υπερψυγμένο υγρό - Physics World

Χρονική σήμανση: 16 Αυγούστου 2023 12:00 μ.μ.

Μια εικόνα μικροσκοπίου ατομικής δύναμης που δείχνει τοπικές ρυτίδες που σχηματίζονται στο γυάλινο στρώμα
Στιγμιότυπο AFM που δείχνει τον σχηματισμό και την εξέλιξη των τοπικών ρυτίδων που προκαλούνται από τη μετατροπή του μεσαίου οργανικού στρώματος γυαλιού σε υπερψυγμένο υγρό. Ευγενική παραχώρηση: J Rodríguez-Viejo

Οι πρώτες άμεσες, σε πραγματικό χρόνο παρατηρήσεις ενός υπερσταθερού γυαλιού καθώς «χαλαρώνει» σε ένα υπερψυγμένο υγρό, επέτρεψαν στους ερευνητές να ποσοτικοποιήσουν μια προηγουμένως μυστηριώδη διαδικασία γνωστή ως μετάβαση γυαλιού. Αυτή η μετάβαση διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο σε πολλούς τομείς, όπως η βιοϊατρική κρυοσυντήρηση, η σύνθεση φαρμάκων, η κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών και η μηχανική ιστών για να αναφέρουμε μόνο μερικά παραδείγματα. Η εργασία θα μπορούσε επίσης να έχει συνέπειες για τα ηλιακά κύτταρα, τα οποία συχνά έχουν μια επίστρωση από γυαλί με σχέδια.

Παρά την πανταχού παρούσα φύση του γυαλιού στη σύγχρονη τεχνολογία και την καθημερινότητά μας, δεν το καταλαβαίνουμε πλήρως. Αν και τα γυαλιά φαίνονται συμπαγή, η δομή τους είναι πολύ διαταραγμένη, έτσι μερικές φορές θεωρούνται ως υγρά με εξαιρετικά υψηλό ιξώδες. Άλλα μυστήρια αφορούν το πώς τα υγρά ψύχονται και μετατρέπονται σε ποτήρια, και αντίστροφα όταν ένα ποτήρι ζεσταθεί μέχρι να λιώσει. Είναι αυτή η γυάλινη μετάβαση μια ξεχωριστή θερμοδυναμική κατάσταση; Ή μήπως το γυαλί είναι απλώς ένα υγρό που έχει υπερψυχθεί – δηλαδή ένα υγρό που διατηρεί τις υγρές του ιδιότητες παρά το γεγονός ότι ψύχεται κάτω από τη θερμοκρασία πήξης του;

Παρόμοια με τα κρυσταλλικά στερεά

Για να αντιμετωπίσουν αυτά και άλλα αναπάντητα ερωτήματα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης (UAB), το Καταλανικό Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας (ICN2), το Πολυτεχνικό Πανεπιστήμιο της Καταλονίας (UPC) και το Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) ανέπτυξε μια τεχνική μικροσκοπίας για την άμεση παρατήρηση του τι συμβαίνει όταν ένα υπερσταθερό οργανικό γυαλί θερμαίνεται πάνω από τη θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου. Αυτή η διαδικασία «χαλάρωσης» το μετατρέπει σε υγρό.

Οι ερευνητές επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν ένα οργανικό γυαλί με τη χημική ονομασία N,N'-δις(3-μεθυλφαινυλ)-N,N′-διφαινυλοβενζιδίνη επειδή μεταβαίνει σε υπερψυγμένη υγρή κατάσταση με τρόπο παρόμοιο με αυτόν των κρυσταλλικών στερεών. Σε αυτόν τον τύπο μετάβασης, σχηματίζονται μικροσκοπικές περιοχές υγρής φάσης και στη συνέχεια μεγαλώνουν σταδιακά. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα συμβατικά γυαλιά, τα οποία μεταβαίνουν στην υγρή κατάσταση σε όλο τον όγκο της δομής τους χωρίς σαφείς διαιρέσεις μεταξύ διαφορετικών περιοχών.

Ο σχηματισμός υγρού συμβαίνει σε τοπικές περιοχές νανοκλίμακας

Η ομάδα της Βαρκελώνης είχε προηγουμένως παρατηρήσει αυτή τη διαδικασία έμμεσα χρησιμοποιώντας νανοθερμιδομετρία, μια τεχνική που καθιστά δυνατή τη μέτρηση της θερμικής ικανότητας σε λεπτές μεμβράνες υλικού. Στη νέα εργασία, η οποία αναλύεται στο Φυσική της Φύσης, οι ερευνητές παρουσιάζουν έναν τρόπο άμεσης παρατήρησής του.

Για να γίνει αυτό, τοποθέτησαν το οργανικό γυαλί ανάμεσα σε δύο στρώματα ενός πιο άκαμπτου γυαλιού με υψηλότερη θερμοκρασία τήξης. Όταν θέρμαιναν το στρώμα οργανικού γυαλιού πάνω από τη θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου, η μηχανική καταπόνηση στις μαλακωμένες υπερψυκτικές περιοχές του υγρού προκάλεσε την παραμόρφωση των εξωτερικών υαλοπινάκων χάρη στη διαφορά στους συντελεστές θερμικής διαστολής μεταξύ των υαλωδών στρωμάτων και του υποστρώματος πυριτίου πάνω στο οποίο σχηματίζεται γυαλί. Αυτή η παραμόρφωση, η οποία εμφανίζεται ως εξογκώματα, ρυτίδες και ραβδώσεις νανομεγέθους που σταδιακά γίνονται μεγαλύτερες, μπορεί να παρατηρηθεί με ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM).

«Δεδομένου ότι ο σχηματισμός του υγρού συμβαίνει σε τοπικές περιοχές νανοκλίμακας, η επιφανειακή αυλάκωση που παρατηρήσαμε είναι επίσης τοπική και συνδέεται άμεσα με το υπερψυγμένο υγρό από κάτω», οι επικεφαλής της ομάδας μελέτης. Χαβιέ Ροντρίγκες-Βιέχο και Κριστιάν Ροντρίγκεζ-Τινόκο εξηγώ. «Η τεχνική μας επιτρέπει να κατασκευάσουμε χωροχρονικούς χάρτες της μετατροπής ενός γυαλιού λεπτής μεμβράνης στο υπερψυγμένο υγρό του, μετρώντας απευθείας τις αποστάσεις μεταξύ των υγρών περιοχών που εμφανίζονται. Αυτή η διαδικασία μπορεί να ακολουθηθεί σε πραγματικό χρόνο».

Ο Rodriguez-Viejo προσθέτει ότι η γυάλινη μετάβαση που παρατήρησαν αποδείχθηκε εξαιρετικά ετερογενής, με μεγάλες εκτάσεις μεταξύ των αναδυόμενων υγρών περιοχών. «Αυτό σημαίνει ότι το γυαλί δεν μετατρέπεται αμέσως σε ολόκληρο τον όγκο στο υπερψυκτικό υγρό, όπως μπορούμε να περιμένουμε για ένα συμβατικό, υγρόψυκτο ποτήρι, αλλά μεταμορφώνεται σε μια χρονική περίοδο που είναι ένα εκατομμύριο φορές πιο αργή», εξηγεί. «Πράγματι, η διαδικασία που έχουμε παρατηρήσει μιμείται κατά κάποιο τρόπο έναν μηχανισμό πυρήνωσης και ανάπτυξης, όπως αυτός που συμβαίνει κατά τον σχηματισμό μιας κρυσταλλικής φάσης μέσα σε ένα ποτήρι ή την τήξη ενός πολυκρυστάλλου».

Η ομάδα στοχεύει τώρα να μελετήσει τη μετάβαση γυαλιού σε μικρότερες κλίμακες μήκους και σε μικρότερες χρονικές περιόδους, κάτι που μπορεί να απαιτεί από τα μέλη να αναπτύξουν νέες διαδικασίες και πρωτόκολλα AFM. Μακροπρόθεσμα, ο Rodriguez-Tinoco λέει ότι τα ευρήματα από τη μελέτη θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη βελτίωση των βιομηχανικών μεθόδων διαμόρφωσης γυαλιού, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την κατασκευή οπτικών επιστρώσεων και για τον έλεγχο της τραχύτητας της επιφάνειας με τρόπο που ενισχύει την παραγωγή φωτός σε οργανικά ηλιακά κύτταρα.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής