溶けるガラス：ガラス

2023 年 3 月 24 日の特集

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Thamarasee Jeewandara、Phys.org 著

液体からガラスへの転移プロセスは、ガラス溶解として知られるガラスから液体への転移と同様、科学における複雑な手順です。 Science Advances に掲載された新しいレポートの中で、Qi Zhang 氏と中国の香港科技大学の物理学研究チームは、蒸着によってコロイドガラスを組み立て、それを溶かしてガラス転移のダイナミクスを観察しました。

構造パラメータと動的パラメータはさまざまな深さで飽和して、表面の液体層とガラス状の中間層を定義します。 科学者らは、ガラス表面層の溶融の理論的予測を確認するために、さまざまな特徴を持つ単一粒子の反応速度を観察しました。

ガラスの溶融プロセスは、想定されているように、液体からガラスへのガラス形成遷移の逆プロセスではありません。 ガラス形成転移のメカニズムが集中的に研究されているのとは対照的に、ガラス溶融のメカニズムは開発の予備段階にあります。 超安定ガラスは、内部からの溶融を先取りするための表面事前溶融のメカニズムにより、不均一な表面溶融を示しています。

高分子科学者は原子および分子の超安定ガラスを研究しており、光学顕微鏡で観察できるミクロンスケールの粒子や熱運動によるガラスの溶融挙動を研究するための優れたモデル系としてコロイドを説明しました。 コロイドは、剪断によるバルクガラスの溶融に関する洞察を含む、バルクガラスに関する重要な顕微鏡情報を提供します。

研究者らは、調整可能な引力を持つコロイドを必要とするため、単一粒子レベルでの熱誘起バルクまたは表面融解についてはまだ調査していない。 この研究で、Zhangらは、魅力的なコロイドを使用して、さまざまな温度範囲で顕微鏡的な反応速度を測定し、単層および多層サンプルの遅いおよび速い温度変化を調べ、それらの融解前および融解軌跡を理解した。

実験中に、Zhang 氏とチームは、結晶化を克服するためにポリマー球の 50:50 混合物を組み込み、ポリメチルメタクリレート球間の引力を誘発するために染料を添加しました。 彼らは、熱泳動を介して非加熱領域に染料を送り込み、引力の強さを減少させると同時に、実効温度を直線的に上昇させた。

その結果、単層および多層コロイドが得られました。 研究チームは蒸着によってコロイドガラスを組み立て、超安定な分子ガラスを形成した。 彼らは光学顕微鏡で粒子を観察し、画像分析で粒子のブラウン運動を追跡しました。

科学者らは、摂氏 25.3 度で完全なバルク溶融転移が起こることに注目しました。 結晶の予備溶解のプロセス中に、研究者は理論的に表面液体の厚さのべき乗則の増加を予測し、その結果を実験とシミュレーションで観察しました。 研究チームは、局所構造とダイナミクスの関係を定量化し、表面近くの低密度領域は脆弱なガラスのモード結合遷移挙動を示し、バルク近くの高密度領域は強いガラスのアレニウス挙動を示した。

温度の低下に伴うこの脆弱から強へのクロスオーバーは、水、金属ガラス、有機/無機ガラスでも見られました。 現在の研究は、バルクガラスと過冷却液体の構造の動的相関に焦点を当てており、表面近くで接続が提供されています。