Hullu fysiikka: Tutkijat tutkivat ei-nestemäisen nesteen luomista

Laskemalla lämpötilaa liikaa, monista materiaaleista tulee kiinteitä kiteitä. Ainakin sitä perinteisen fysiikan teoriat ennustavat. Säännössä voi kuitenkin olla poikkeuksia, koska kaksi tutkijaa uskovat löytäneensä nesteen, joka nestemäisyydestään huolimatta osoittautuu vakaammaksi kuin kiinteä kide.

Kokeilu, joka on kuvattu Nature Physics -lehdessä, esitti puhtaasti laskennallisen mallin tästä uteliaasta nesteestä, mutta se voi tarjota joitain tuoreita näkemyksiä kiteiden muodostumisprosessista sekä estää niitä muodostamasta tai muuten aiheuttamasta niiden muodostumista. heillä ei ole selkeää muotoa.

Kuinka tehdä neste, joka ei ole nestemäistä?

Tämän omituisen materiaalin rakentamiseksi tutkijat alkoivat kokeilla kolloidia, nestettä, jossa on pieniä suspendoituneita hiukkasia. Klassinen esimerkki kolloidista on maito, joka huolimatta siitä, että se on rakennettu käytännössä veden avulla, on muuttunut väri, maku ja konsistenssi seoksessa kelluvien lukuisten rasva- ja proteiinipartikkelien takia.

Maito kuitenkin jäätyy. Kuitenkin, jos kolloidin molekyylit on erityisesti järjestetty, kiteytymistä ei tapahdu ja materiaali saa vakaan, kiinteän näköisen muodon, jolla on nesteen molekyylirakenne.

Käyttämällä molekyylejä, joilla on neljä sidosta, laskennallisessa mallissa, tutkijat ymmärsivät, että kiteytyminen tapahtuu nopeasti, jos nämä sidokset ovat jäykkiä. Taivutettaessa sidokset pysyvät siistinä ja muodostavat rakeisia kohoumia. Jos lämpötila jatkaa laskuaan, materiaalista tulee lasi, jossa epäorgaaniset molekyylit muodostavat eräänlaisen amorfisen kiinteän aineen.

Joustavat molekyylit

Pohjimmiltaan joustavat sidokset sisältävät molekyylit käyttäytyvät tällä tavoin, koska nesteessä kilpailevat kaksi voimaa jäähtyvät: energia ja entropia, joka on mitta siitä, kuinka täynnä järjestelmä näyttää. Nesteissä molekyylit on järjestetty satunnaisesti, kun taas kiteissä ne on ryhmitelty tiettyihin kuvioihin.

Lämpötilan laskiessa molekyylit alkavat organisoitua siten, että ne käyttävät vähemmän energiaa. Siten entropia vähenee veden jäätyessä. Mutta joustavilla sidoksilla varustetuilla kolloidimolekyyleillä on muita tapoja yhdistyä toisiinsa, paljon todennäköisemmin ryhmittyä yhteen neljästä neljään ja muodostaen silti epäjärjestyvän rakenteen.

Tuloksena on neste, joka käyttäytyy kuin kiinteä aine. Ja vaikka kaikki tehtiin tietokoneella, tutkijat Frank Smallenburg Rooman Sapienzan yliopistosta sanovat, että ohjelmisto kuvaa todellisia järjestelmiä ja lainaa joitain polymeerejä ja jopa DNA: ta molekyyleiksi, jotka voivat tehdä sen. Tutkimuksen seuraava askel on kokeilu oikeiden materiaalien kanssa.