Galen fysik: Forskare studerar att skapa icke-flytande vätska

Genom att sänka temperaturen för mycket blir många material en fast kristall. Åtminstone det är vad teorierna för traditionell fysik förutspår. Regeln kan dock ha undantag, eftersom två forskare tror att de har hittat en vätska som, trots dess vätsketillstånd, visar sig vara mer stabil än en fast kristall.

Experimentet, som beskrivs i tidskriften Nature Physics, presenterade en rent beräkningsmodell av denna nyfikna vätska, men det kan ge några nya insikter i processen för kristallbildning, samt förhindra dem från att bildas eller få dem att bildas. de har inte en bestämd form.

Hur gör jag en vätska som inte är flytande?

För att bygga detta bisarre material började forskare experimentera med en kolloid, en vätska som har små suspenderade partiklar. Ett klassiskt exempel på en kolloid är mjölk, som trots att den praktiskt taget byggdes av vatten, har förändrat färg, smak och konsistens på grund av de många fett- och proteinpartiklarna som flyter i blandningen.

Mjölken fryser dock. Emellertid, om molekylerna i en kolloid är specifikt organiserade, sker kristallisation inte och materialet får en stabil, fast utseende form som har en vätskes molekylstruktur.

Med hjälp av molekyler med fyra bindningar i en beräkningsmodell insåg forskare att kristallisation sker snabbt om dessa bindningar är styva. Vid böjning förblir bindningarna röriga och skapar granulära klumpar. Om temperaturen fortsätter att sjunka blir materialet ett glas med ostörda molekyler som bildar ett slags amorft fast ämne.

Flexibla molekyler

I grund och botten uppträder molekyler med flexibla bindningar på detta sätt på grund av två krafter som tävlar i vätskan när den svalnar: energi och entropi, vilket är ett mått på hur rörigt ett system ser ut. I vätskor är molekyler slumpmässigt arrangerade medan de i kristaller grupperas i vissa mönster.

När temperaturen sjunker börjar molekylerna organiseras så att de använder mindre och mindre energi. Således minskar entropin när vatten fryser. Men kolloidmolekyler med flexibla bindningar har andra sätt att ansluta till varandra, mycket mer benägna att gruppera fyra till fyra och ändå bilda en störd struktur.

Resultatet är en vätska som uppträder som en fast substans. Och medan allt gjordes på en dator, säger forskarna Frank Smallenburg från Sapienza universitet i Rom att programvaran beskriver verkliga system och citerar vissa polymerer och till och med DNA som molekyler som kan göra det. Nästa steg i forskningen kommer att vara experiment med verkliga material.