Визуализация динамических неоднородностей в стекловидной коллоидной суспензии, полученная путем разности изображений оптической микроскопии с запаздыванием 25 с. Яркие пятна соответствуют быстро движущимся частицам. Предоставлено: Р. Пасторе

Стеклование является большой проблемой в физике конденсированных сред и до сих пор преподносит сюрпризы, несмотря на десятилетия интенсивных исследований. Например, до сих пор считалось, что диффузия в стеклообразных жидкостях качественно аналогична диффузии в обычных, «горячих» жидкостях, по крайней мере, при больших временах наблюдения. Новое исследование опубликовано в Physical Review Lettersдемонстрирует, что это не так: долговременная диффузия в стекловидных жидкостях действительно является «фиковской, но негауссовой» (FnGD), интригующая особенность, ранее обнаруженная в сложных и биологических жидкостях. Однако, в отличие от этих систем, FnGD в стеклообразных жидкостях становится драматичной при приближении к стеклованию и, по-видимому, характеризуется универсальными законами масштабирования. Исследование, сочетающее эксперименты и моделирование, было проведено Франческо Рушано (аспирант), Раффаэле Пасторе и Франческо Греко в группе статистической механики мягких материалов Неаполитанского университета им. Федерико II.

Проблема стеклования

После десятилетий экспериментальных и теоретических усилий широкого научного сообщества стеклование все еще остается основным открытым вопросом в области конденсированных сред и сложных систем, о чем свидетельствует недавно присужденная Нобелевская премия Джорджио Паризи, одному из ведущих деятелей в области физики. Эта тема. Но что такое стакан? Вкратце, когда молекулярную жидкость быстро охлаждают ниже температуры плавления, кристаллизации можно избежать. В этом состоянии, однако, даже небольшие перепады температуры делают вязкостьувеличиваются на порядки и в конечном итоге приводят к «стеклу», материалу, который является механически твердым, но сохраняет неупорядоченную микроскопическую структуру, типичную для жидкости. Таким образом, стеклование бросает вызов фундаментальному предположению о конденсированных средах, а именно, что микроскопическая структура и механическая реакция материала тесно связаны. Интересно, что оказалось, что стеклование является прерогативой не только молекулярных жидкостей, но и других систем, например коллоидных суспензий возрастающей концентрации. Хотя разработка комплексной теории витрификации пока является предметом активных дискуссий, уже сейчас ясно, что важную роль играет наличие динамической неоднородности, т. е. длительное сосуществование кластеров быстрых и медленных движущиеся частицы.

Фиковская негауссовская диффузия

В то время как стеклование является давней проблемой, FnGD возникла гораздо позже. Диффузия частиц в обычных жидкостях и во многих других системах характеризуется линейно возрастающим во времени среднеквадратичным смещением частиц (СКО) и гауссовским распределением смещения, как это предсказано в знаменитой работе Эйнштейна о броуновском движении и ее интерпретации в терминах случайная прогулка. Однако в некоторых системах, таких как волоконные сети или пористые материалы, диффузия оказывается не фиковской и не гауссовой, и поэтому ее называют «аномальной диффузией». Из-за этих наблюдений считалось, что поведение Фика и Гаусса происходит вместе или не происходит вообще.

Это общее ожидание было опровергнуто в 2009 г. новаторскими экспериментами группы Граника (Университет Урбаны, Иллинойс), обнаружившими существование нового типа диффузии, одновременно фиковского, но негауссовского. С момента своего открытия в биологических жидкостях FnGD был обнаружен в самых разных системах мягкой материи, но его понимание до сих пор остается неуловимым. Однако возникновение ФнГД в общем случае связано с некоторой структурной или динамической неоднородностью среды, в которой движутся частицы.

Фиковская негауссовская диффузия в стеклообразных жидкостях

Широко распространенное сочетание неоднородности и FnGD побудило исследователей из Университета Федерико II в Неаполе искать возможное появление FnGD в стеклообразующих жидкостях, воплощение динамической неоднородности, опираясь на эксперименты с коллоидными суспензиями и моделирование молекулярных жидкостей. Исследование показывает, что FnGD присутствует не только в стеклообразных жидкостях, но также становится очень заметным и продолжительным при приближении к стеклованию. Исследование также показывает, что универсальные степенные законы фиксируют связь между временными масштабами начала фиковости и восстановления гауссовости, а также временную зависимость экспоненциальных хвостов распределений смещения.

В целом, эти результаты открывают путь к взаимному обогащению идей между двумя проблемами FnGD и стеклования. С одной стороны, FnGD является ключом к пониманию долговременной диффузии в стеклообразных жидкостях и к пересмотру устоявшихся концепций, таких как динамическая неоднородность. С другой стороны, сильная подпись FnGD, только что обнаруженная в стеклообразных жидкостях, вероятно, может служить ориентиром для будущих исследований FnGD в других системах.