Учени разгадаха вековна мистерия: Как течностите се превръщат в стъкло

Вековна загадка във физиката намира своето решение чрез иновативно изследване на международни научни екипи. Учени от Израел и Германия хвърлят нова светлина върху превръщането на течностите в стъклоподобни материали. Този процес протича без очевидна промяна в структурата на материята. Информацията за научното откритие предава израелската новинарска агенция ТПС. Новите резултати имат потенциал да трансформират индустриалното производство на храни и медицината.

Феноменът „стъклен преход“ засяга множество ежедневни материали. Той присъства постоянно в боите, геловете и различните индустриални продукти. До момента науката срещаше сериозни трудности при предсказването на точния момент на втвърдяване. Материалите изглеждат напълно твърди за човешкото око. На микроскопично ниво обаче те остават почти непроменени. Този физичен парадокс озадачава водещите специалисти по света повече от 100 години.

Екип от Телавивския университет и Университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф въведе нов експериментален метод. В изследването участват проф. Хаим Диамант, проф. Яел Ройхман и проф. Щефан Егелааф. Учените публикуваха своя значим труд в престижното рецензирано списание „Нейчър физикс“ (Nature Physics). Те проследяват движението на малки частици, които са вградени директно в изследвания материал.

„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.“

Стъкленият преход настъпва без видима промяна в подредбата на молекулите на микроскопично ниво. Изследователите използват специализирани колоидни смеси като основна моделна система. Тези смеси съдържат малки твърди частици, които са суспендирани в течна среда. Материалът тече свободно при ниска плътност на частиците. С увеличаване на концентрацията системата постепенно се „заклинява“. Тогава тя започва да се държи изцяло като твърдо тяло.

Изследователите използват колоидни системи с вградени проследяващи частици за наблюдение на процеса в реално време. Ключовата иновация в експеримента включва добавянето на много малки и подвижни проследяващи елементи. Тези елементи запазват своята мобилност дори при значително забавяне на околния материал. Усъвършенствана микроскопия позволява точно измерване на разпространението на силите. Учените наблюдават как движението преминава през цялата система в реално време.

Процесът е съпроводен от фундаментална промяна в начина на предаване на импулса вътре в материала. В течно състояние движението на частиците се разпространява на големи разстояния. При наближаване на специфичното стъклено състояние това разпространение внезапно се разпада. Материалът започва да поглъща импулса, вместо да го предава нататък. Това специфично поведение е основна характеристика на твърдите тела.

Настоящото изследване идентифицира три конкретни и ясни признака на този преход. Първо, учените наблюдават промяна в отслабването на пространствените корелации с разстоянието. Второ, появява се нов нарастващ мащаб, който е пряко свързан с вискозитета. Трето, възникват противоположни движения между съседни частици в системата. Това категорично показва развитие на съпротивление на срязване. Съпротивлението е ключово механично свойство на всяко твърдо тяло.

Новият метод позволява прецизно предсказване на втвърдяването на индустриални материали като цимент и бои. Практическите приложения на откритието обхващат дизайна на гелове и различни хранителни продукти. Много индустриални системи преминават внезапно от течно към втвърдено състояние. Това създава сериозни технологични проблеми в масовото производство. Новият научен подход подобрява стабилността, текстурата и производителността на материалите.

Техниката може да намери широко приложение и в сферата на биологията и съвременната медицина. Биологичните тъкани, кръвта и клетъчните среди често проявяват свойства на течности и твърди тела едновременно. Разбирането на тези преходи подобрява изследванията върху процесите на зарастване на рани. То помага за детайлно проучване на развитието на различни тежки заболявания. Системите за доставяне на лекарства също разчитат на контролирани промени в консистенцията. Тези данни за напредъка на науката са предоставени от БТА.