Лед не всегда является льдом полностью. Даже при температурах значительно ниже нуля его поверхность может быть покрыта пленкой квазижидких атомов, толщина которой обычно составляет всего несколько нанометров.
Процесс ее образования известен как предплавление (или «поверхностное плавление»), и именно поэтому кубики льда могут слипаться даже в морозильной камере.
Помимо льда, мы наблюдали предплавленный поверхностный слой в широком спектре материалов с кристаллической структурой, в которых атомы внутри расположены в аккуратной упорядоченной решетке, например, в алмазах, кварце и поваренной соли.
Теперь, впервые, ученые наблюдали плавление поверхности в стекле.
Стекло и лед могут выглядеть очень похоже, но на атомном уровне они часто сильно отличаются друг от друга. Если кристаллический лед выглядит аккуратно, то стекло — это так называемое аморфное твердое вещество: оно не имеет реальной атомной структуры. Вместо этого его атомы просто как бы собраны в кучу, как в жидкости.
Это, как и следовало ожидать, значительно затрудняет обнаружение квазижидкой пленки на поверхности стекла.
Обнаружение этого пленочного жидкого слоя обычно производится в экспериментах с рассеянными нейтронами или рентгеновскими лучами, которые чувствительны к атомному порядку.
Твердый лед упорядочен; поверхностное плавление менее упорядочено. В стекле все беспорядочно, поэтому рассеяние не будет особенно полезным инструментом.
Физики Клеменс Бехингер и Ли Тянь из Университета Констанца в Германии применили другой подход. Вместо того чтобы исследовать кусок атомного стекла, они создали так называемое коллоидное стекло — суспензию микроскопических стеклянных сфер, взвешенных в жидкости, которая ведет себя подобно атомам в атомном стекле.
Поскольку сферы в 10 000 раз больше атомов, их поведение можно наблюдать непосредственно под микроскопом и, следовательно, изучать более детально.
Используя микроскопию и рассеяние, Бечингер и Тиан внимательно изучили свое коллоидное стекло и обнаружили признаки поверхностного плавления, а именно: частицы на поверхности двигались быстрее, чем частицы в объемном стекле под ней.
Это не было неожиданным. Плотность основной массы стекла выше, чем плотность поверхности, а это значит, что у поверхностных частиц в буквальном смысле больше пространства для движения. Однако в слое под поверхностью, толщиной до 30 диаметров частиц, частицы продолжают двигаться быстрее, чем в объемном стекле, даже когда они достигают плотности объемного стекла.
«Наши результаты показывают, что поверхностное плавление стекол качественно отличается от плавления кристаллов и приводит к образованию поверхностного стеклообразного слоя», — пишут исследователи в своей работе.
«Этот слой содержит кооперативные кластеры высокоподвижных частиц, которые образуются на поверхности и распространяются вглубь материала на несколько десятков диаметров частиц и далеко за пределы области, где плотность частиц насыщается».
Поскольку поверхностное плавление изменяет свойства поверхности материала, полученные результаты позволяют лучше понять стекло, которое является чрезвычайно полезным в различных областях применения, но в то же время довольно странным.
Например, высокая подвижность поверхности может объяснить, почему тонкие полимерные и металлические стеклообразные пленки обладают высокой ионной проводимостью по сравнению с толстыми пленками. Мы уже используем это свойство в батареях, где эти пленки действуют как ионные проводники.
Более глубокое понимание этого свойства, причин его возникновения и способов его индуцирования поможет ученым найти оптимизированные и даже новые способы его использования.
Исследование группы было опубликовано в журнале Nature Communications.
Оригинал earth-chronicles.ru
