Странная жидкость, которая ведёт себя как кристалл

Охладите что-либо до нужной температуры, и оно превратится в твёрдый кристалл, гласят традиционные физические теории. Но возможно, это не всегда так, и два исследователя из Университета La Sapienza в Риме полагают, что они обнаружили случаи, когда жидкообразное состояние является более стабильным, чем твёрдый кристалл.

Для этого эксперимента, подробности которого были несколько дней назад опубликованы в журнале «Nature Physics», учёные использовали компьютерную симуляцию для создания «жидкости, которая не является жидкостью». И хотя эксперимент был проведён в виртуальной среде, он даёт нам важные представления о формировании кристаллов.

Чтобы получить эту необычную жидкость, исследователи начали с коллоида – жидкости со взвешенными в ней частицами. Классическим примером коллоида является молоко – которое представляет собой фактически воду, но выглядит белым из-за большого количества взвешенных в нём частиц жира и белка. Заморозьте молоко, и оно превратится в кристаллизованную воду, а все белые частицы отделятся от него и затвердеют.

Особенностью коллоида является то, что если его молекулы связаны друг с другом определённым образом, то кристаллизации в нём не происходит.

Вместо этого, коллоид принимает стабильную форму, которая кажется твёрдой, но имеет молекулярную структуру жидкости.

Ведущий автор исследования, физик Фрэнк Смолленбург, симулировал такой коллоид на компьютере, и выяснил, как он ведёт себя при понижении температуры. Использовав модель с четырьмя молекулярными связями, он обнаружил, что если эти связи были жёсткими, кристаллизация наступала быстро. Однако если они были гибкими, связи оставались неупорядоченными и формировали комковатые агломерации. При дальнейшем охлаждении они становились подобны стеклу – неупорядоченные молекулы, которые не двигаются, но формируют нечто вроде аморфного твёрдого тела.

«Когда мы сделали эти связи достаточно гибкими, жидкая фаза оставалась стабильной даже при экстремально низких температурах», говорит Смолленбург.

«Частицы просто отказывались формировать кристалл, пока их не сжимали до очень высокой плотности».

И что самое интересное — эта компьютерная симуляция описывает также и некоторые реальные системы. Существуют полимеры и большие органические молекулы вроде ДНК, которые имеют сходные характеристики. Таким же образом можно симулировать даже воду и кварц.

Следующим шагом учёных станут эксперименты с настоящими материалами для изучения полимеров. Смолленбург сообщает, что его группа объединилась с французской командой, которая исследует полимеры, ведущие себя как кварц при нагревании. Проделав определённую работу, можно будет применить новую симуляцию и к этим веществам, говорит Смолленбург.