Поверхностное плавление привлекательного коллоидного стекла.
Предоставлено: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34317-2

В 1842 году знаменитый британский исследователь Майкл Фарадей случайно сделал удивительное наблюдение: на поверхности льда образуется тонкий слой воды, несмотря на то, что температура значительно ниже нуля градусов. Температура ниже точки таяния льда, но поверхность льда растаял. Этот жидкий слой на кристаллах льда также является причиной того, что снежки слипаются.

Только 140 лет спустя, в 1985 году, это «поверхностное таяние» могло быть научно подтверждено в контролируемых лабораторных условиях. К настоящему времени поверхностное плавление было продемонстрировано для различных кристаллических материалов и хорошо изучено с научной точки зрения: на несколько градусов ниже фактической температуры плавления на поверхности твердого материала образуется слой жидкости толщиной всего в несколько нанометров.

Поскольку поверхностные свойства материалов играют решающую роль при их использовании, например, в качестве катализаторов, датчиков, аккумуляторных электродов и т. д., поверхностное плавление имеет не только фундаментальное значение, но и с точки зрения технических приложений.

Следует подчеркнуть, что этот процесс не имеет абсолютно ничего общего с эффектом, скажем, извлечения кубика льда из морозильной камеры и воздействия на него температуры окружающей среды . Причина, по которой в таких условиях кубик льда сначала тает на своей поверхности, заключается в том, что поверхность значительно теплее, чем внутренняя часть кубика льда.

В стекле обнаружено плавление поверхности

В кристаллах с периодически расположенными атомами тонкий слой жидкости на поверхности обычно обнаруживается в экспериментах по рассеянию, которые очень чувствительны к наличию атомного порядка. Поскольку жидкости расположены нерегулярно, такие методы могут четко разрешить появление тонкой жидкой пленки поверх твердого тела.

Этот подход, однако, не работает для стекол (т.е. неупорядоченных, аморфных материалов), потому что нет разницы в атомном порядке между твердым телом и жидкостью. Таким образом, поверхностное плавление стекол остается малоизученным в экспериментах.

Чтобы преодолеть вышеупомянутые трудности, Клеменс Бехингер, профессор физики Констанцского университета, и его коллега Ли Тянь применили хитрость: вместо изучения атомарного стекла они создали неупорядоченный материал из микроскопических стеклянных сфер, известный как коллоиды. В отличие от атомов, эти частицы примерно в 10 000 раз больше и их можно наблюдать непосредственно под микроскопом.

Исследователи смогли продемонстрировать процесс поверхностного плавления в таком коллоидном стекле, потому что частицы вблизи поверхности движутся намного быстрее, чем твердое тело под ним. На первый взгляд, такое поведение не совсем неожиданно, так как плотность частиц на поверхности ниже, чем в нижележащем сыпучем материале. Следовательно, частицы, находящиеся близко к поверхности, имеют больше места для движения друг мимо друга, что делает их быстрее.

Удивительное открытие

Однако Клеменса Бехингера и Ли Тиана удивил тот факт, что даже глубоко под поверхностью, где плотность частиц достигла объемного значения, подвижность частиц все еще значительно выше по сравнению с объемным материалом.

Изображения под микроскопом показывают, что этот ранее неизвестный слой имеет толщину до 30 диаметров частиц и продолжается от поверхности в более глубокие области твердого тела в виде полос. «Этот слой, который глубоко проникает в материал, обладает интересными свойствами материала, поскольку сочетает в себе жидкие и твердые свойства», — объясняет Бехингер.

Как следствие, свойства тонких неупорядоченных пленок очень сильно зависят от их толщины. Фактически, это свойство уже используется при их использовании в качестве тонких ионных проводников в батареях, которые имеют значительно более высокую ионную проводимость по сравнению с толстыми пленками. Однако благодаря новым выводам, полученным в результате экспериментов, это поведение теперь можно понять количественно и, таким образом, оптимизировать для технических приложений.

Исследование было опубликовано в Nature Communications.