Odkrycie dziwnego zjawiska płynnej skóry na powierzchni szkła: ScienceAlert

Śnieg nie zawsze pokrywa się z lodem. Nawet w temperaturach znacznie poniżej zera jego powierzchnia może być pokryta warstwą półpłynnych atomów, zwykle o grubości zaledwie kilku nanometrów.

Proces jej powstawania jest znany jako wstępne topienie (lub „rozmrażanie powierzchniowe”), dlatego kostki lodu mogą sklejać się ze sobą nawet w zamrażarce.

Oprócz lodu zaobserwowaliśmy przed topiącą się warstwę powierzchniową w szerokiej gamie materiałów o strukturze krystalicznej, w której atomy są ułożone w drobno uporządkowaną sieć, taką jak diament, kwarc i sól kuchenna.

Teraz po raz pierwszy naukowcy zaobserwowali topnienie powierzchni substancji znajdującej się w wewnętrznej ruinie: szkła.

Szkło i lód mogą wyglądać bardzo podobnie, ale często bardzo się różnią na poziomie atomowym. Kiedy kryształowy śnieg jest ładny i schludny, nazywamy szkło amorficzne ciało stałe: Nie ma żadnej prawdziwej struktury atomowej, o której można by mówić. Zamiast tego jego atomy to wszelkiego rodzaju płytkie, ułożone w stos zwierzęta, jak można by się spodziewać w cieczy.

To, jak można się spodziewać, bardzo utrudnia wykrycie wstępnie rozpuszczonej półpłynnej warstwy na powierzchni szkła.

Tę ciekłą warstwę membrany zwykle odkrywa się w eksperymentach z rozpraszaniem neutronów lub promieni rentgenowskich, które są wrażliwe na układ atomowy.

ułożony jest stały lód; Niższe topnienie powierzchni. W szkle wszystko jest w bałaganie, więc rozpraszanie nie będzie szczególnie przydatnym narzędziem.

Fizycy Clemens Bechinger i Li Tian z Uniwersytetu w Konstancji w Niemczech przyjęli inne podejście. Zamiast badać kawałek szkła atomowego, stworzyli coś, co nazywa się szkłem koloidalnym — zawiesinę mikroskopijnych szklanych kulek zawieszonych w cieczy, która zachowuje się jak atomy w szkle atomowym.

Ponieważ kule są 10 000 razy większe od atomów, ich zachowanie można zobaczyć bezpośrednio pod mikroskopem, a zatem można je dokładniej zbadać.

Używając mikroskopii dyspersyjnej, Bechinger i Tian dokładnie zbadali swoje szkło koloidalne, rozpoznając oznaki topnienia powierzchni; Oznacza to, że cząsteczki na powierzchni poruszały się szybciej niż cząsteczki w luźnym szkle pod spodem.

Nie było to nieoczekiwane. Gęstość szkła sypkiego jest wyższa niż gęstość powierzchni, co oznacza, że ​​cząstki powierzchniowe mają więcej miejsca do poruszania się. Jednak w warstwie pod powierzchnią, o grubości do 30 cząstek, cząstki nadal poruszają się szybciej niż w szkle luzem, nawet gdy osiągną dużą gęstość szkła.

„Nasze wyniki pokazują, że topienie szkła powierzchniowego jest jakościowo inne w porównaniu z kryształami i prowadzi do powstania warstwy szkła powierzchniowego”. Naukowcy piszą w swoim artykule.

„Warstwa ta zawiera współpracujące skupiska wysoce ruchomych cząstek, które tworzą się na powierzchni i które proliferują głęboko w materiale o kilkadziesiąt średnic cząstek poza obszar, w którym gęstość cząstek jest nasycona”.

Ponieważ topienie powierzchni zmienia właściwości powierzchni materiału, wyniki zapewniają lepsze zrozumienie szkła, które jest bardzo przydatne w wielu zastosowaniach, ale także bardzo egzotyczne.

Na przykład wysoka mobilność powierzchniowa może wyjaśniać, dlaczego cienkie folie polimerowe i metaliczne mają wyższą przewodność jonową w porównaniu z grubszymi foliami. Właściwie używamy tej właściwości w bateriach, ponieważ te filmy działają jak przewodniki jonowe.

Głębsze zrozumienie tej właściwości, jej przyczyn i sposobu, w jaki można ją wywołać, pomoże naukowcom znaleźć ulepszone, a nawet nowe sposoby jej wykorzystania.

Badania zespołu zostały opublikowane w: Komunikacja przyrodnicza.