Medzi kvapalným a pevným stavom existuje skrytý druh skupenstva

Sklo môže vyzerať a pôsobiť ako dokonale usporiadaná pevná látka, ale zblízka sa chaotické usporiadanie jeho častíc podobá skôr na voľne padajúcu kvapalinu zamrznutú v čase. Materiály v tomto stave, známe ako amorfné pevné látky, sa vymykajú jednoduchému vysvetleniu. Nový výskum zahŕňajúci výpočty a simulácie naznačuje, že niekde medzi kvapalným a pevným stavom je druh skupenstva, o ktorom sme nevedeli. 

Podľa vedcov Dimitriosa Fraggedakisa, Muhammada Hasyima a Kranthiho Mandadapu z Kalifornskej univerzity v Berkeley existuje na teplotnej hranici superchladených kvapalín a pevných látok správanie, pri ktorom statické častice zostávajú excitované, „mykajú sa“ na mieste. V každodennom živote zväčša poznáme tri základné stavy hmoty: pevnú látku, kvapalinu a plyn alebo paru. Každý z nich je definovaný vzťahmi medzi ich časticami a okolím. 

Keď sa jeden z nich zmení na iný, napríklad tuhá látka sa roztopí na kvapalinu alebo kvapalina sa zmení na plyn, je to známe ako skupenská premena. Hmota je však oveľa zložitejšia ako len tieto tri základné stavy. Napríklad atómy sa môžu zahriať natoľko, že sa ich náboje rozletia a vytvoria plazmu. Ak sa ochladia, niektoré triedy častíc môžu úplne stratiť svoju identitu a splynúť do kvantového „rozmazania“ (quantum blur).

Amorfné pevné látky sú zvláštne zmesi dobre usporiadaných pevných látok a voľne viazaných kvapalín. Zatiaľ čo častice v pevných látkach majú tendenciu vytvárať predvídateľné spojenia so svojimi susedmi, keď sa pri vhodne nízkych teplotách uzavrú na svojom mieste, amorfné pevné látky majú neusporiadané zoskupenie kvapaliny. To, ako sa tieto zdanlivo náhodné spojenia menia z viskóznych prúdov prúdiacich molekúl na statické usporiadanie, nie je ani zďaleka zrejmé.

Ak použijeme sklo ako najznámejší príklad, jeho zložky kyslík a kremík sa pri zahrievaní skvapalnia. Pri pomalom ochladzovaní sa tieto častice stihnú sformovať do usporiadanej kryštálovej štruktúry nazývanej kremeň. Ak sa ochladí rýchlo, častice si nejakým spôsobom zachovajú neusporiadané zoskupenie. To je bod, v ktorom sa sklo stáva amorfnou pevnou látkou, a teplota, pri ktorej k tomu dochádza, je nástupná teplota.

Fraggedakis, Hasyim a Mandadapu použili výpočty a simulácie v kombinácii s výsledkami predošlých experimentov, aby zistili, že tento prechod nemusí byť taký čistý, pričom sa vyznačuje zvláštnou aktivitou častíc, ktoré sa nachádzajú medzi ich normálnym kvapalným a superchladeným stavom. „Naša teória predpovedá nástupnú teplotu nameranú v modelových systémoch a vysvetľuje, prečo správanie superchladených kvapalín okolo tejto teploty pripomína pevné látky, hoci ich štruktúra je rovnaká ako štruktúra kvapaliny,“ vysvetľuje Mandadapu.

Hoci celkový tok atómov v superchladenej kvapaline je v podstate nulový, častice neustále menia svoju konfiguráciu, pričom uviaznu na mieste, čo vedie k pohybom nazývaným excitácie. Výskumníci považovali tieto excitácie v 2D superchladenej kvapaline za defekty v kryštalickej pevnej látke a vypočítali, čo sa deje pri zmene teploty. Zistili, že viazané páry excitácií sa pri nástupnej teplote rozväzujú, čo spôsobuje, že materiál stráca svoju tuhosť a správa sa ako normálna kvapalina. Výskum bol uverejnený v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.

Zdroj: sciencealert.com.