14:49 2023-02-07
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Noi perspective asupra naturii complexe a tranziției lichid-sticlă
_ Noi perspective asupra naturii complexe a tranziției lichid-sticlă
Într-un articol publicat recent în revista Nature Physics, o echipă de cercetători cu participarea Universității din Augsburg raportează despre corelațiile neașteptat de universale dintre dilatarea termică și sticla. -temperaturile de tranziție ale materialelor care formează sticlă, oferind noi perspective asupra naturii complexe a tranziției de la sticlă lichidă la solidă.
Sticlăurile sunt materiale solide, totuși lipsite de structura cristalină cu un aranjament regulat al atomilor care este tipic pentru solidele convenționale. Topirea materialelor cristaline este bine înțeleasă în cadrul teoretic al așa-numitului criteriu Lindemann: la încălzire, vibrațiile termice ale atomilor sau moleculelor devin atât de viguroase încât se eliberează de aranjamentul lor cristalin, asemănător rețelei, iar materialul se topește. . În schimb, procesele microscopice la trecerea unui pahar într-un lichid (sau invers) nu sunt bine înțelese, chiar dacă paharele sunt unele dintre cele mai vechi materiale folosite de omenire.
În publicația lor recentă în Fizica naturii, intitulat „Extinderea termică și tranziția sticloasă”, Prof. Dr. Alois Loidl și PD Dr. Peter Lunkenheimer (ambele Universitatea din Augsburg), împreună cu colegii din Göttingen, Berlin și Milano, raportează acum că solid-lichid tranziția ochelarilor este determinată de factori suplimentari. În timp ce vibrațiile joacă, de asemenea, un rol, în plus trebuie să se țină seama de faptul că mișcarea atomilor sau moleculelor dintr-un lichid care formează sticlă este de obicei „cooperativă” (adică, particulele nu se mișcă independent), ceea ce poate duce la o creștere semnificativă a energiei necesare pentru a lichefia un pahar. Oamenii de știință au găsit dovezi pentru acest comportament analizând expansiunea termică și temperaturile de tranziție sticloasă a peste 200 de pahare și lichide publicate în ultimii 100 de ani.
Ochelarii au o relevanță tehnologică imensă și sunt aproape omniprezenti în viața noastră de zi cu zi. Aceasta nu include doar aplicații comune ca containere sau ferestre, ci și fibre optice pentru transmisia de date sau materiale electrolitice avansate în baterii și pile de combustibil. Mai mult decât atât, sticlele metalice având proprietăți materiale superioare în comparație cu metalele convenționale, grupul mare de polimeri și chiar diferite tipuri de materie biologică sunt considerate ca sticle din punct de vedere fizic.
De obicei, paharele sunt pregătite. prin simpla răcire a unei topituri. Spre deosebire de solidificarea bruscă găsită pentru alte lichide, care este tipică pentru o tranziție de fază, topiturile de sticlă se solidifică într-un mod continuu. În mod corespunzător, un pahar nu se lichefiază brusc. O viziune teoretică comună explică trecerea de la starea lichidă la starea de sticlă prin înghețarea atomilor sau moleculelor în poziții dezordonate, dar totuși bine definite. Aceasta este însoțită de o creștere a cooperativității atomilor sau moleculelor care interacționează la răcire.
Vibrațiile atomice menționate, care devin mai puternice odată cu creșterea temperaturii, sunt și ele responsabile de expansiunea termică a materialelor solide. Dacă ideile de bază din spatele criteriului Lindemann sunt corecte, acesta din urmă ar trebui să fie mai puternic pentru materialele cu temperaturi de topire mai scăzute, conducând la o proporționalitate inversă a ambelor cantități, ceea ce este considerat la fel de îndeplinit pentru materialele cristaline.
În cooperarea cu colegii lor Birte Riechers (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin), Alessio Zaccone (Universitatea Milano, Italia) și Konrad Samwer (Universitatea Göttingen), fizicienii de la Universitatea din Augsburg au oferit acum dovezi că o corelație analogă a dilatarea termică și temperatura de tranziție sticloasă nu există, ceea ce implică faptul că criteriul Lindemann este invalid pentru tranziția sticloasă.
Acest lucru a fost relevat de analiza datelor de expansiune termică și a temperaturilor de tranziție a sticlei a peste 200 de materiale, parțial aparținând unor clase de materiale foarte diferite, cum ar fi sticlele convenționale de silicat, sticlele moleculare, ionice și metalice și polimeri.
Cercetătorii ar putea urmări acest comportament calitativ diferit al topirii sticlei la numărul tot mai mare de atomi sau molecule care se mișcă în mod cooperativ, o proprietate caracteristică lichidelor care formează sticla atunci când se apropie de tranziția sticloasă. Gradul de cooperare al dinamicii particulelor este diferit pentru fiecare sticlă și poate fi cuantificat prin așa-numitul indice de fragilitate.
La împărțirea coeficienților de dilatare termică ai diferitelor sticle la indicii lor de fragilitate, formarea sticlei materialele prezintă, de asemenea, o proporționalitate inversă a acestei mărimi scalate cu temperatura de tranziție sticloasă. Acest lucru evidențiază o influență semnificativă a cooperativității asupra tranziției sticlei. În mod interesant, acest comportament universal permite, de asemenea, predicția temperaturii de tranziție sticloasă din măsurătorile expansiunii termice și invers.
Setul vast de date colectate în cadrul cercetării de față dezvăluie un altul surprinzător. corelație universală: la fel ca dilatarea termică a stării sticloase, dilatarea în stare lichidă este, de asemenea, corelată cu temperatura de tranziție sticloasă și, în plus, este cu un factor de aproximativ trei mai mare decât în starea sticloasă a unui material, indiferent de clasa de material particulară. Acest lucru este uimitor, deoarece dilatarea termică în ambele stări ale materiei este de obicei considerată a fi guvernată de mecanisme fundamental diferite: vibrații în sticla solidă, spre deosebire de mișcările de translație dominante în lichid.
„Analiza noastră de date. arată că tranziția solid-lichid a sticlei nu poate fi privită ca un simplu proces de topire și, în schimb, mișcările corelate ale particulelor joacă un rol important”, spune Lunkenheimer și are încredere că universalitățile găsite vor contribui semnificativ la o mai bună înțelegere a materialelor atât de diferite. ca ochelari de zi cu zi pe bază de silicați, polimeri amorfi și pahare metalice.
Comentarii:
Adauga Comentariu