جدیدشیشه مایع، حالت جدیدی از ماده که تاکنون کشف نشده بود
مقدمه
شیشه ماده ای کاملا متداول است که ما روزانه بارها از آن استفاده می کنیم. اما سال هاست که همچنان به عنوان یک معمای بزرگ علمی باقی مانده است. برخلاف انتظار، ماهیت واقعی شیشه همچنان در هاله ای از ابهام است و تحقیقات علمی در مورد خصوصیات شیمیایی و فیزیکی آن همچنان ادامه دارد......
در شیمی و فیزیک، اصطلاح «شیشه» (Glass) یک مفهوم قابل تغییر است. در حالت عادی، این عبارت به ماده ای اشاره می کند که ما آن را به عنوان شیشۀ پنجره می شناسیم. اما می دانیم ممکن است طیف وسیعی از مواد اشاره داشته باشد که رفتار شیشه مانند (glass-like behaviour) دارند. موادی که ممکن است در دستۀ فلزات، پلاستیک ها، پروتئین ها و حتی سلول های بیولوژیکی قرار گیرند.
در حقیقت حالت فیزیکی شیشه، این جامدی که ما می شناسیم نیست. به طور معمول، وقتی ماده ای از حالت مایع به جامد تبدیل می شود، مولکول ها به صف می شوند و یک الگوی بلوری تشکیل می دهند.
در شیشه، این اتفاق نمی افتد. در عوض، مولکول ها قبل از وقوع تبلور و در مکانی که قرار دارند، منجمد می شوند. این حالت عجیب و نامنظم از ویژگی های شیشه در سیستم های مختلف است و دانشمندان هنوز در تلاش هستند تا دریابند که این حالت ناپایدار چگونه شکل می گیرد.
شیشه مایع : حالت جدیدی از ماده
تحقیقات انجام شده توسط «آندریاس زومبوش» (دانشکدۀ شیمی) و «ماتیاس فوخس» (دانشکدۀ فیزیک) که هر دو در دانشگاه «کنستانز» مستقر هستند، لایه های پیچیدۀ دیگری را به داستان معماییِ شیشه افزوده است.
با استفاده از یک سیستم مدل سازی شامل کلوئیدهای سوسپانسیونی، محققان حالت جدیدی از ماده یعنی شیشه مایع (Liquid Glass) را کشف کردند. در این پژوهش، ذرات منفرد مدل سازی شده می توانستند حرکت کنند، اما قادر به چرخش نبودند. رفتار پیچیده ای که قبلاً در شیشه های بالک مشاهده نشده است.
گفتنی است نتایج این پژوهش در ژانویه سال 2021 در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا (PNAS) منتشر شده است.
سوسپانسیون های کلوئیدی سیالات مخلوطی اند که حاوی ذرات جامدند. این ذرات جامد در اندازه های یک میکرومتری یا بیشتر توزیع شده اند. یعنی از اتم ها یا مولکول ها بزرگتر بوده و بنابراین برای آنالیز با میکروسکوپ نوری مناسب هستند.
این مواد در میان دانشمندانی که در حال مطالعه تحولات شیشه (Glass Transitions) هستند، محبوبیت زیادی دارند. چرا که بسیاری از پدیده هایی را که در سایر مواد تشکیل دهندۀ شیشه وجود دارد، از خود بروز می دهند.
ساخت کلوئیدهای بیضوی شکل
تا به امروز، بیشتر آزمایشات مربوط به سوسپانسیون های کلوئیدی، به کلوئیدهای کروی متکی بوده اند. با این حال، اکثر سیستم های طبیعی و فنی از ذرات غیر کروی تشکیل شده اند.
با استفاده از شیمی پلیمر، تیم تحت هدایت آندریاس زومبوش، ذرات پلاستیکی کوچکی را تولید کردند که با کشش و سرمایش به فرم های بیضوی رسیدند. سپس این مواد را در یک حلال مناسب توزیع کردند.
زومبوش، استاد شیمی‌فیزیک و نویسندۀ ارشد این مقاله توضیح می دهد:
ذرات ما در مقایسه با ذرات کروی به شکل های متمایزی جهت گیری کرده اند. این جهت گیری نوین، باعث بروز رفتارهای پیچیدۀ کاملاً جدید و مطالعه نشده ای می شود.
محققان سپس تغییر غلظت ذرات را در سیستم سوسپانسیون آغاز کردند و با استفاده از میکروسکوپ کانفوکال، حرکت انتقالی و چرخشی ذرات را ردیابی کردند. زومبوش ادامه می دهد:
در چگالی خاصی از ذرات، حرکت جهت دار (Orientational Motion) متوقف شد. در حالی که حرکت تحولی (Translational Motion) ادامه داشت. نتیجۀ این پدیده این بود که حالت هایی از شیشه تشکیل شد که در آن ذرات به صورت خوشه ای تجمیع شده بودند و ساختارهای موضعی با جهت گیری مشابه را تشکیل دادند.
آنچه محققان از آن به عنوان شیشه مایع نام برده اند، نتیجۀ این خوشه ها است که به طور متقابل مانع یکدیگر می شوند و سبب می شوند همبستگی های مکانی (Spatial Correlations) با برد طولانی تشکیل شوند. در واقع این خوشه ها مانع از تشکیل یک کریستال مایع می شود. ماده ای که طبق قوانین ترمودینامیک انتظار می رود ایجاد شود.
دو تحول شیشه ای رقیب
آنچه محققان مشاهده کردند، در حقیقت دو انتقال شیشه ای رقابتی (یک تحول فازی منظم و یک تحول فازی غیر تعادلی) بوده است که در تعامل با یکدیگر عمل کردند.
«ماتیاس فوكس» استاد تئوری ماده نرم چگال در دانشگاه كنستانس و دیگر نویسنده ارشد این مقاله عقیده دارد که این مشاهده از نظر تئوری فوق العاده جالب است:
آزمایشات ما نوعی شواهد را برای تعامل میان نوسانات مهم و تحول شیشه ای ارائه می دهد. شواهدی که جامعۀ علمی مدت هاست به دنبال آن است.
شیشه مایع به مدت بیست سال به عنوان یک حدس نظری در محافل علمی باقی مانده بود. نتایج بیشتر نشان می دهد که دینامیک مشابهی ممکن است در سایر سیستم های شیشه وجود داشته باشد.
بنابراین ممکن است این یافته ها به روشن کردن رفتار سیستم ها و مولکول های پیچیدۀ بسیار کوچک (بیولوژیکی) تا بسیار بزرگ (کیهان شناسی) کمک کنند و همچنین به طور بالقوه بر توسعه دستگاه های کریستال مایع تأثیر می گذارند.
منبع
دیدگاه کاربران