Дивний феномен рідкої шкіри, виявлений на поверхні скла

Лід не завжди буває льодом наскрізь. Навіть при температурах значно нижче точки замерзання його поверхня може бути покрита плівкою квазірідких атомів, товщина якої зазвичай становить лише кілька нанометрів. Процес його утворення відомий як попереднє танення (або «поверхневе танення»), і саме тому ваші кубики льоду можуть злипатися навіть у морозилці. Крім льоду, ми спостерігали попередньо розплавлений поверхневий шар у широкому діапазоні матеріалів із кристалічною структурою, де атоми всередині розташовані в акуратно впорядкованій решітці, як-от алмази, кварц і кухонна сіль.

Тепер вчені вперше спостерігали поверхневе плавлення речовини, яка перебуває у внутрішніх хаосах: скла.

Скло та лід можуть виглядати дуже схожими, але вони часто сильно відрізняються в атомному масштабі. Там, де кристалічний лід гарний і охайний, скло — це те, що ми називаємо аморфною твердою речовиною: воно не має справжньої атомної структури. Натомість його атоми просто напхані, схожі на те, що ви очікуєте побачити в рідині. Це, як і слід було очікувати, значно ускладнює виявлення квазірідкої попередньо розплавленої плівки на поверхні скла. Виявлення цього плівкового шару рідини зазвичай здійснюється за допомогою експериментів із розсіюванням нейтронів або рентгенівських променів, які чутливі до атомного порядку. Замовляється твердий лід; поверхневе плавлення менше. У склі все безладно, тому розсіювання не було б особливо корисним інструментом.

Фізики Клеменс Бехінгер та Лі Тіан з Університету Констанца в Німеччині дотримувалися іншого підходу. Замість того, щоб досліджувати шматок атомарного скла, вони створили щось під назвою колоїдне скло – суспензію мікроскопічних скляних сфер, зважених у рідині, яка поводиться як атоми в атомарному склі. Оскільки кулі в 10 000 разів більші за атоми, їх поведінку можна побачити безпосередньо під мікроскопом і, отже, вивчити більш детально.

За допомогою мікроскопії та розсіювання Бехінгер і Тіан уважно вивчили своє колоїдне скло і виявили ознаки поверхневого плавлення; а саме, частинки на поверхні рухалися швидше, ніж частинки в масі скла під нею. Це не було несподіваним. Щільність об’ємного скла вища за щільність поверхні, що означає, що частинки поверхні буквально мають більше місця для руху. Однак у шарі під поверхнею, товщиною до 30 діаметрів частинок, частинки продовжують рухатися швидше, ніж об’ємне скло, навіть коли вони досягають об’ємної щільності скла.

«Наші результати демонструють, що поверхневе плавлення скла якісно відрізняється від кристалів і призводить до утворення поверхневого скляного шару», — пишуть дослідники у своїй статті.

«Цей шар містить кооперативні скупчення високорухливих частинок, які утворюються на поверхні та поширюються вглиб матеріалу на кілька десятків діаметрів частинок і далеко за межі області, де щільність частинок насичується».

Оскільки плавлення поверхні змінює властивості поверхні матеріалу, результати пропонують краще розуміння скла, яке є надзвичайно корисним у багатьох сферах застосування, але також досить дивним. Наприклад, висока рухливість поверхні може пояснити, чому тонкі полімерні та металеві скляні плівки мають високу іонну провідність порівняно з товстими плівками. Ми вже використовуємо цю властивість в батареях, де ці плівки діють як іонні провідники. Глибше розуміння цієї властивості, що її спричиняє та як її можна індукувати, допоможе вченим знайти оптимізовані та навіть нові способи її використання.