Wissenschaft

Flüssiges Glas ist der neueste bizarre Aggregatzustand, den es gibt

2024

Kryptonit und Kyber-Kristalle mag wie einige der unglaublichsten natürlich vorkommenden Substanzen in Science-Fiction (und auf fiktiven Planeten) erscheinen, aber die Dinge hier auf der Erde können noch seltsamer werden.

Es ist kein geschmolzenes Glas und weder fest noch flüssig – aber Wissenschaftler haben es jetzt entdeckt ein neuer Aggregatzustand, der als flüssiges Glas bekannt ist . Seine einzelnen Partikel können sich bewegen, aber nicht rotieren. Flüssigglas kommt vor in Kolloide , bei denen ein Stoff durch einen anderen dispergiert ist, obwohl sich keiner der Stoffe wie in Lösungen oder Suspensionen trennen oder absetzen kann. Wenn bestimmte Kolloide dicht genug werden, wird ihre Struktur in diesen glasigen Zustand verdreht. Das wird so bleiben, bis die Struktur wieder geordnet wird.

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Der Physiker Matthias Fuchs und der Chemiker Andreas Zumbusch von der Universität Konstanz in Deutschland induzierten den flüssigen Glaszustand in einem Labor mit selbst hergestellten Kolloiden. Nachdem sie Partikel in einer Form verwendet hatten, mit der noch nie zuvor experimentiert wurde, wollten sie sehen, was während der Glasübergang und habe etwas verdientes Übermensch oder Krieg der Sterne .

Suspensionen ellipsoider Kolloide bilden einen unerwarteten Aggregatzustand, ein flüssiges Glas, in dem Rotationen eingefroren sind, während Translationen flüssig bleiben, Fuchs und Zumbusch sagte in einer kürzlich veröffentlichten Studie in PNAS . Die Bildanalyse enthüllt bisher unbekannte nematische Vorläufer als charakteristische Strukturelemente dieses Zustands. Die gegenseitige Blockierung dieser verzweigten Cluster verhindert flüssigkristalline Ordnung.

Als Fuchs und Zumbusch dieses Phänomen genauer untersuchten, standen sie vor einem großen Problem. Alle bisher untersuchten Kolloide enthielten kugelförmige Partikel ohne Orientierung. Es ist unmöglich zu sagen, wohin eine Kugel zeigt, weil sie keinen Anfang und kein Ende hat, es sei denn, jemand möchte die undankbare Aufgabe haben, mikroskopische Pfeile auf jedes Partikel zu malen. Stattdessen nutzten die Wissenschaftler Polymerchemie, um kleine Plastikpartikel (die immer noch größer als Atome oder Moleküle waren) herzustellen, die sie dann in eine elliptische Form streckten. Diese wurden dann in ein Lösungsmittel eingearbeitet, um ein Kolloid zu erzeugen.

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Unter einem Lichtmikroskop zeigten die Teilchen Veränderungen in Position und Bewegung, die einige noch nie dagewesene Anordnungen offenbarten, die fast unglaublich waren.

Damit sich eine kristalline Struktur bilden kann, muss sie genau das haben – geordnete Struktur. Glas ist bizarr, weil es sich zwar fest anfühlt, aber weder fest noch flüssig ist. Sie werden vielleicht feststellen, dass die Unterseite einer älteren Fensterscheibe nur geringfügig dicker ist als die Oberseite, da das Glas extrem langsam nach unten sickerte. Einige Flüssigkristalle werden nematisch nach Erreichen eines glasigen Zustandes. Das bedeutet, dass die Moleküle parallel sind und sich zwar bewegen können, aber nicht rotieren können. Diese Unfähigkeit zu rotieren bedeutet, dass sie sich nicht richtig manövrieren und neu anordnen können, um eine feste kristalline Struktur zu erreichen.

Flüssiges Glas mit ellipsoiden Partikeln spiegelt besser wider, was in der Natur oder in der Technik tatsächlich passiert. In beiden Situationen treten nicht allzu viele perfekt kugelförmige Partikel auf, und wenn dies passieren würde, würde die fehlende Orientierung der Partikel nur die Simulation und das tatsächliche Auftreten dieses seltsamen Aggregatzustands erschweren. Durch die Veränderung der Partikelkonzentration konnten die Wissenschaftler Verschiebungen in Bewegung und Rotation erkennen, die ihnen sonst entgangen wären. Sie sahen, dass bei bestimmten Dichten glasartige Zustände auftraten, wenn die Rotation einfror.

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Dies bedeutet nicht, dass die Kristallbildung zum Scheitern verurteilt ist. Flüssiges Glas hält nur so lange, wie die Partikel im Kolloid, die in ähnlicher Orientierung stecken, Cluster bilden und sich gegenseitig in die Quere kommen. Wenn Teilchen genug Energie sowie den richtigen Druck und das richtige Volumen haben, um sich wieder zu drehen, gehen sie von einem flüssigen Glaszustand in einen Flüssigkristall über, während sie beginnen, sich in der richtigen Reihenfolge neu anzuordnen.

Der flüssige Glaszustand kann das lang gesuchte Paradigma darstellen, bei dem das Zusammenspiel zwischen kritischen Gleichgewichtskorrelationen und kritischer Verlangsamung gegenüber der Glasbildung mikroskopisch untersucht werden kann. Fuchs and Zumbusch said .

Passiert dies also mit Kryptonit, wenn es kristallisiert, oder was? Nur ein echter Kryptonier würde die Antwort wissen.