虽然玻璃是我们每天使用的真正无处不在的材料，但它也代表了一个主要的科学难题。与人们可能期望的相反，玻璃的真正本质仍然是一个神秘的东西，科学探究仍然持续到其化学物质和物理性质。在化学和物理学中，术语玻璃本身是一个可变的概念：它包括我们所知道的窗玻璃的物质，但它也可以参考一系列具有可以通过参考玻璃样行为解释的特性的其他材料，包括例如金属，塑料，蛋白质，甚至生物细胞。
虽然它可能给人的印象，但玻璃是传统上的。通常，当材料从液体转变为固态时，分子向上形成晶体图案。在玻璃中，这不会发生。相反，在结晶发生之前，分子有效地将其冻结。这种奇怪和无序的状态是不同系统的眼镜的特征，科学家们仍在试图了解这种亚稳态形式的究竟是多么的。
一种新的物质状态：液体玻璃
由Andreas Zumbusch教授（化学部）领导的研究和Matthias Fuchs（物理系），既基于Konstanz大学，刚刚向玻璃难题添加了另一层复杂性。使用涉及量身定制的椭圆形胶体悬浮液的模型系统，研究人员发现了一种新的物质状态，液体玻璃，其中缺乏颗粒能够移动而无法旋转 - 在散装眼镜中未观察到的复杂行为。结果发表在美国美国国家科学院（PNA）的“国家科学院的诉讼程序”中公布。
液体玻璃簇中椭圆形颗粒的位置和取向的图像。
胶体悬浮液是含有固体颗粒的混合物或流体，其在千分尺（百万米）或更大的尺寸上大于原子或分子，因此非常适合用光学显微镜进行研究。它们在学习玻璃过渡的科学家中受欢迎，因为它们具有许多在其他玻璃形成材料中也发生的现象。
量身定制的椭圆形胶体
迄今为止，涉及胶体悬浮液的大多数实验依赖于球形胶体。然而，大多数自然和技术系统由非球形颗粒组成。使用聚合物化学，由AndreasZumbusch领导的团队制造了小塑料颗粒，拉伸和冷却，直到它们达到椭球形式，然后将它们放在合适的溶剂中。“由于它们独树的形状，我们的颗粒具有取向 - 而不是球形颗粒 - 这引起了完全新的和以前未捕获的复杂行为，”Zumbusch解释道，他是研究的一位物理化学和高级作者。
然后研究人员继续在悬浮液中改变粒子浓度，并使用共聚焦显微镜跟踪颗粒的平移和旋转运动。继续Zumbusch：“在某些颗粒密度方向运动中冻结，而平移运动持续存在，导致玻璃状状态，其中颗粒聚集在一起形成具有相似取向的局部结构。”研究人员称为液体玻璃的结果是这些簇相互彼此相互阻碍并介导特征远程空间相关性。这些防止形成液晶，这将是热力学预期的全球有序状态。
两个竞争玻璃过渡
观察到的研究人员实际上是两种竞争的玻璃过渡 - 常规相变和非识别相变 - 彼此相互作用。“这是从理论上的理论角度令人难以置信的兴趣，”康斯坦茨大学的软炼事物理论教授和康斯坦大学和其他高级作者的美好炼雀事物理论教授。“我们的实验为科学界已经在很长一段时间之后，提供了危重波动与玻璃逮捕之间的相互作用的依据。”预测液体玻璃仍然是理论猜测二十年。
结果进一步表明，类似的动态可以在其他玻璃形成系统中工作，因此可以有助于揭示复杂系统和分子从非常小（生物）到非常大（宇宙）的行为。它还可能影响液晶器件的发展。
该研究是作为Konstanz大学的协同研究中心（CRC）1214“各向异性粒子作为构建块的一部分：根据2016年至2020年由德国研究基金会（DFG）资助的剪裁形状，互动和结构。
参考文献：“观察椭圆体胶体悬浮液中的液体玻璃”由Jörg罗拉，艾琳娜拉加人，Janne-Mieke Meijer，Matthias Fuchs和AndreasZumbusch，4月2021，国家科学院诉讼程序.DOI：
10.1073 / pnas.2018072118
