Лед не всегда остается льдом насквозь. Даже при температурах значительно ниже точки замерзания его поверхность может быть покрыта пленкой квазижидких атомов, толщина которой обычно составляет всего несколько нанометров.
Процесс его образования известен как предварительное таяние (или «поверхностное таяние»), и именно поэтому ваши кубики льда могут слипаться даже в морозильной камере.
Помимо льда, мы наблюдали предварительно расплавленный поверхностный слой в широком диапазоне материалов с кристаллической структурой, в которых атомы внутри расположены в четко упорядоченной решетке, таких как алмазы, кварц и поваренная соль.
Теперь ученые впервые наблюдали поверхностное плавление вещества, которое находится во внутренних руинах: стекла.
Стекло и лед могут выглядеть очень похожими, но часто они сильно различаются в атомном масштабе. Там, где кристаллический лед хорош и опрятен, стекло — это то, что мы называем аморфное твердое вещество: У него нет реальной атомной структуры, о которой можно было бы говорить. Наоборот, его атомы как бы перемешаны друг с другом, больше похоже на то, что вы ожидаете увидеть в жидкости.
Это, как и следовало ожидать, значительно затрудняет обнаружение квазижидкой предварительно расплавленной пленки на поверхности стекла.
Обнаружение этого пленчатого жидкого слоя обычно производится с помощью экспериментов, связанных с рассеянием нейтронов или рентгеновских лучей, которые чувствительны к атомному порядку.
Заказан твердый лед; поверхностное плавление меньше. В стекле все в беспорядке, поэтому рассеяние не будет особенно полезным инструментом.
Физики Клеменс Бехингер и Ли Тиан из Констанцского университета в Германии выбрали другой подход. Вместо того, чтобы исследовать кусок атомарного стекла, они создали так называемое коллоидное стекло — суспензию микроскопических стеклянных сфер, взвешенных в жидкости, которая ведет себя как атомы в атомном стекле.
Поскольку сферы в 10 000 раз больше атомов, их поведение можно увидеть непосредственно под микроскопом и, следовательно, изучить более подробно.
Используя микроскопию и рассеяние, Бехингер и Тиан внимательно исследовали свое коллоидное стекло и выявили признаки поверхностного плавления; а именно, частицы на поверхности двигались быстрее, чем частицы в объеме стекла под ней.
Это не было неожиданностью. Плотность объемного стекла выше, чем плотность поверхности, а это означает, что у поверхностных частиц буквально больше места для движения. Однако в слое под поверхностью, толщиной до 30 диаметров частиц, частицы продолжают двигаться быстрее, чем объемное стекло, даже когда они достигают плотности объемного стекла.
«Наши результаты показывают, что поверхностное плавление стекол качественно отличается от кристаллов и приводит к образованию поверхностного стеклообразного слоя», исследователи пишут в своей статье.
«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 достигает насыщения».
Поскольку поверхностное плавление изменяет свойства поверхности материала, результаты дают лучшее понимание стекла, что чрезвычайно полезно для целого ряда приложений, но также довольно дурацкое.
Например, высокая поверхностная подвижность может объяснить, почему тонкие полимерные и металлические стеклообразные пленки имеют более высокую ионную проводимость по сравнению с толстыми пленками. Мы уже используем это свойство в батареях, где эти пленки действуют как ионные проводники.
Более глубокое понимание этого свойства, его причин и того, как его можно вызвать, поможет ученым найти оптимизированные и даже новые способы его использования.
Исследование команды было опубликовано в Связь с природой.
