ТПС: Учени разрешиха вековна загадка на стъклоподобните материали

Вековна загадка във физиката се приближава към своето разрешаване, тъй като нови изследвания хвърлят светлина върху това как течностите се превръщат в твърди, подобни на стъкло материали, без да настъпва очевидна промяна в структурата, разказва израелската новинарска агенция ТПС. Откритията могат да окажат влияние върху производството на храни, гелове, цимент и дори върху медицината.
Феноменът, известен като „стъклен преход“, засяга много ежедневни и индустриални материали от хранителни продукти до бои и гелове, но досега е било трудно да се предскаже точно кога една течност, внезапно ще се втвърди. Той озадачава учените повече от 100 години, защото материалите могат да изглеждат твърди, но на микроскопично ниво да останат почти непроменени.
Екип от израелски и германски учени е въвел нов експериментален метод за наблюдение на прехода чрез проследяване на малки частици, вградени в материала. Изследването, проведено от проф. Хаим Диамант и проф. Яел Ройхман от Катедрата по химия на Телавивския университет, в сътрудничество с групата на проф. Щефан Егелааф от Университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф, е публикувано в рецензираното списание „Нейчър физикс" (Nature Physics).
„Значението на това изследване се крие не само в идентифицирането на нови признаци на стъкления преход, но и в предлагането на нова перспектива към самия феномен“, казва Диамант. „Нашите резултати показват, че стъкленият преход не е просто постепенно забавяне на движението на частиците, а е съпроводен от дълбока промяна в начина, по който импулсът се предава от точка до точка в материала.“
Изследователите използват като моделна система течности съдържащи микроскопични частици познати като колоиди. Това представляват смеси, в които малки твърди частици са суспендирани в течност, което позволява материалът да тече като течност, но да проявява сложни свойства в зависимост от това колко плътно са подредени частиците. С увеличаване на плътността системата става все по-„претъпкана“, докато не се „заклини“ и започне да се държи като твърдо тяло.
Ключовата иновация е добавянето на много малки проследяващи частици, които остават подвижни дори когато околният материал значително се забавя. Чрез проследяване на двойки такива частици с усъвършенствана микроскопия учените успяват да измерят как движението и силите се разпространяват през системата в реално време.
Резултатите показват ясна промяна в поведението на материала. В течност движението се разпространява на големи разстояния през системата. Когато се доближава до стъклено състояние, това разпространение се разпада и материалът започва да се държи по-скоро като твърдо тяло, което поглъща импулса, вместо да го предава.
Изследването идентифицира три ясни признака на този преход. Първо, промяна в начина, по който пространствените корелации отслабват с разстоянието. Второ, появата на нарастващ характерен мащаб, свързан с увеличаващия се вискозитет. Трето, възникване на противоположни движения между съседни частици, което показва развитие на съпротивление на срязване, което е ключово свойство на твърдите тела.
Освен за фундаменталната физика, методът има и важни практически приложения. Той може да помогне за по-добър дизайн и обработка на гелове, бои, хранителни продукти и индустриални материали като цимент и керамични суспензии. Много от тези системи могат внезапно да преминат от свободно течащи към запушващи се или втвърдяващи се, което създава сериозни проблеми в производството. Новият подход предлага начин за по-добро предсказване и контрол на тези преходи, като подобрява стабилността, текстурата и производителността.
Техниката може да бъде полезна и в биологията и медицината, където тъкани, кръв и клетъчни среди често се държат като материали, които са едновременно течни и твърди. Разбирането кога и как тези системи се втвърдяват може да подобри изследванията върху зарастване на рани, развитие на заболявания и системи за доставяне на лекарства, които разчитат на контролирани промени в консистенцията на материалите в организма.
(Тази информация се разпространява по споразумение между БТА и ТПС)