康斯坦茨大学 液体玻璃团簇中椭球粒子的位置和取向
学分:安德烈亚斯·祖姆布施教授和马蒂亚斯·富克斯教授的研究小组 液态玻璃的发现揭示了玻璃转变这一古老的科学问题:康斯坦茨大学的一个跨学科研究小组发现了一种新的物质状态——液态玻璃，它具有以前未知的结构元素——对玻璃性质及其转变的新见解
虽然玻璃是我们日常生活中真正普遍使用的材料，但它也代表了一个重大的科学难题
与人们可能预期的相反，玻璃的真实性质仍然是一个谜，对其化学和物理性质的科学研究仍在进行中
在化学和物理学中，玻璃这个术语本身是一个易变的概念:它包括我们所知的窗玻璃，但它也可能指一系列其他材料，这些材料的特性可以用类似玻璃的行为来解释，例如，包括金属、塑料、蛋白质，甚至生物细胞
尽管玻璃可能给人留下印象，但它绝不是传统意义上的固体
典型地，当一种材料从液态转变为固态时，分子排成一行形成晶体图案
在玻璃中，这不会发生
相反，在结晶发生之前，分子被有效地冻结在原位
这种奇怪而无序的状态是不同系统中玻璃的特征，科学家们仍在试图理解这种亚稳态到底是如何形成的
一种新的物质状态:液态玻璃 由康斯坦茨大学的安德烈亚斯·祖姆布施(化学系)和马蒂亚斯·富克斯(物理系)教授领导的研究给玻璃难题增加了一层复杂性
使用一个包含特制椭球胶体悬浮液的模型系统，研究人员发现了一种新的物质状态——液态玻璃，其中单个粒子能够移动但不能旋转——这种复杂的行为以前在大块玻璃中没有观察到
该结果发表在《美国国家科学院院刊》上
胶体悬浮液是包含固体颗粒的混合物或流体，这些固体颗粒的尺寸为微米(百万分之一米)或更大，比原子或分子大，因此非常适合用光学显微镜进行研究
它们在研究玻璃转变的科学家中很受欢迎，因为它们具有许多在其他玻璃形成材料中也会出现的现象
特制椭球胶体 迄今为止，大多数涉及胶体悬浮液的实验都依赖于球形胶体
然而，大多数自然和技术系统是由非球形粒子组成的
安德烈亚斯·祖布施(Andreas Zumbusch)领导的团队利用聚合物化学制造了小塑料颗粒，拉伸并冷却它们，直到它们达到椭球形状，然后将它们放入合适的溶剂中
“由于它们独特的形状，我们的粒子有方向——与球形粒子相反——这产生了全新的和以前未研究过的复杂行为，”物理化学教授、该研究的资深作者祖布施解释说
然后，研究人员继续改变悬浮液中的粒子浓度，并使用共聚焦显微镜跟踪粒子的平移和旋转运动
Zumbusch说，“在一定的粒子密度下，定向运动冻结，而平移运动持续，导致玻璃态粒子聚集形成具有相似方向的局部结构
“研究人员称之为液体玻璃的东西，是这些星系团相互阻碍，并在长期空间关联中起中介作用的结果
这些阻止了液晶的形成，而液晶是热力学所期望的物质的全局有序状态
两个相互竞争的玻璃跃迁 研究人员观察到的事实上是两个相互竞争的玻璃相变——一个规则相变和一个非平衡相变——相互作用
“从理论角度来看，这非常有趣，”康斯坦茨大学软凝聚态理论教授马蒂亚斯·富克斯说，他也是这篇论文的另一位资深作者
“我们的实验为临界波动和玻璃状停滞之间的相互作用提供了证据，科学界一直在寻找这种证据
“对液态玻璃的预测二十年来一直是一个理论猜想
结果进一步表明，类似的动力学可能在其他玻璃形成系统中起作用，因此可能有助于阐明复杂系统和分子的行为，从非常小的(生物的)到非常大的(宇宙学的)
它还潜在地影响液晶器件的发展
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