所有由塑料或玻璃制成的物质被称为非晶材料。与许多结晶固体不同，非晶材料中的原子和分子在冷却时不会形成晶体。实际上，尽管我们通常认为塑料和玻璃是“固体”，但它们实际上是一种流动极慢的过冷液体。
尽管这些“玻璃动态”材料在日常生活中随处可见，但它们在微观尺度上如何变得刚性，一直以来都让科学家感到困惑。
现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员发现，过冷液体中的分子行为揭示了液体与固体之间的隐藏相变。
他们对塑料和玻璃等常见材料的理解有所提升，这将帮助科学家开发用于医疗设备、药物输送和增材制造的新型非晶材料。
具体而言，科学家们利用理论、计算机模拟和先前的实验，解释了为什么这些材料中的分子在冷却时保持液体般的无序状态，直到在特定温度下迅速转变为类似固体的状态，这种温度被称为起始温度——在此温度下，材料变得极为粘稠，几乎不再移动。这种刚性的开始——一种之前未知的相变——是将过冷液体与正常液体区分开的原因。
“我们的理论预测了模型系统中测量的起始温度，并解释了为什么过冷液体在该温度附近的行为让人联想到固体，即使它们的结构与液体相同，”伯克利实验室化学科学部的科学家、加州大学伯克利分校化学工程教授Kranthi Mandadapu表示，他领导了这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究。
任何过冷液体在分子的多种构型之间不断跳跃，导致局部粒子运动，称为激发。在他们提出的理论中，Mandadapu、博士后研究员Dimitrios Fraggedakis和研究生Muhammad Hasyim将二维过冷液体中的激发视为晶体固体中的缺陷。
当过冷液体的温度升高到起始温度时，他们提出，每一个有束缚的缺陷对都会分裂成无界的缺陷对。正是在这个温度下，缺陷的分离使体系失去了刚性，开始表现得像普通液体一样。
“玻璃动力学的起始温度就像将过冷液体‘融化’成液体的熔化温度。这应该适用于所有过冷液体或玻璃系统，”Mandadapu说。
理论和模拟捕捉到了玻璃动力学的其他关键特性，包括观察到在短时间内，一些粒子移动，而其余的液体保持冻结。
Mandadapu表示：“整个探索就是从微观上理解是什么区分了过冷液体和高温液体。”
Mandadapu和他的同事们相信他们能够将他们的模型扩展到三维系统。他们还计划扩展该模型，以解释局部运动如何导致进一步的附近激发，从而导致整个液体的松弛。总之，这些组件可以提供一个一致的微观图像，展示玻璃动力学是如何以一种与最先进的观测相一致的方式出现的。
Mandadapu说：“从基础科学的角度来看，研究为什么这些过冷液体表现出与我们所知道的常规液体显著不同的动力学，这是非常有趣的。”
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希望本篇文章《科学家揭示液体与固体之间潜在相变的新理论》能对你有所帮助！
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