Vědci rozluštili záhadu skelného přechodu: Kapaliny se mění v pevné látky bez strukturálních změn

Vědci z Tel Aviv University přinášejí nový pohled na dlouholetou vědeckou záhadu: jak se tekutina náhle změní v tuhý, téměř zmrzlý materiál, aniž by změnila svou strukturu. Tento jev, známý jako „skelný přechod“, mátl fyziky více než sto let.

Vědci z Tel Aviv University přinášejí nový pohled na dlouholetou vědeckou záhadu: jak se tekutina náhle změní v tuhý, téměř zmrzlý materiál, aniž by změnila svou strukturu. Tento jev, známý jako „skelný přechod“, mátl fyziky více než sto let. Nová studie navrhuje experimentální přístup k pozorování tohoto nepolapitelného procesu sledováním pohybu drobných částic, které slouží jako mikroskopické „senzory“ uvnitř materiálu.

Výzkum, vedený profesory Haimem Diamantem a Yaelem Roichmanem ze Školy chemie Tel Aviv University ve spolupráci s týmem profesora Stefana Egelhaafa z Heinrich Heine University Düsseldorf, se zaměřil na koloidní materiály. Tyto suspenze mikroskopických částic rozptýlených v kapalině jsou považovány za ideální model pro studium skelného přechodu. Při nízké koncentraci částic se systém chová jako běžná kapalina, ale s rostoucí hustotou se pohyb částic vzájemně omezuje, až se celý systém „zasekne“ a získá vlastnosti amorfní pevné látky, podobné sklu.

Klíčovou inovací vědců bylo použití obzvláště malých a vysoce mobilních částic vložených do systému větších částic procházejících skelným přechodem. Zatímco větší částice postupně ztrácely schopnost pohybu, menší částice zůstaly mobilní, což týmu umožnilo měřit, jak se mění okolní prostředí. Pomocí pokročilé mikroskopie vědci měřili koordinovaný pohyb párů malých částic a zkoumali, jak pohyb jedné ovlivňuje druhou v různých směrech a na různé vzdálenosti. Výsledky ukázaly, že v kapalném stavu se pohyb šíří na velké vzdálenosti kapalinou, ale jak se systém blíží skelnému stavu, toto šíření je potlačeno a systém se začíná chovat jako pevná látka, která absorbuje hybnost namísto jejího přenosu.

Vědci identifikovali tři jasné znaky přechodu: výraznou změnu v tom, jak se rozpad korelací mění se vzdáleností; vznik nové charakteristické délkové škály, která roste s viskozitou materiálu; a dokonce i protichůdné pohyby mezi sousedními částicemi – důkaz vývoje odolnosti vůči smyku, základní vlastnosti pevných látek. Experimentální zjištění přesně potvrdila teoretické předpovědi, které stejný tým učinil před několika lety.

Tato zjištění mají široké uplatnění nejen pro hlubší pochopení skelného přechodu. Nová metoda může být využita ke studiu gelů, měkkých materiálů, aktivních systémů a dokonce i biologických tkání – oblastí, kde je obtížné přesně určit, kdy systém přestane „téci“ a začne tuhnout. Drobné částice tak slouží jako mikroskopickí svědci okamžiku, kdy kapalina ztrácí svůj tekutý charakter. Profesor Diamant zdůrazňuje, že význam výzkumu spočívá nejen v identifikaci nových znaků skelného přechodu, ale také v nabídce nového pohledu na celý jev. Zjištění ukazují, že skelný přechod není pouhé postupné zpomalování pohybu částic, ale je doprovázen hlubokou změnou ve způsobu přenosu hybnosti z bodu na bod uvnitř materiálu. Použití malých stopovacích částic jako hydrodynamických sond otevírá možnost zkoumat vznik vlastností podobných pevným látkám ještě předtím, než systém skutečně přestane téci, a může poskytnout nový nástroj pro studium měkkých materiálů a komplexních systémů, kde je přechod z kapaliny na pevnou látku obtížné měřit.