Если охладить любую жидкость до нужной температуры, она превратится в твердый кристалл. Это традиционный закон физики. Два исследователя из Университета La Sapienza в Риме (Италия) полагают, что они обнаружили случаи, когда жидкое состояние является более стабильным, чем кристалл.
Для эксперимента ученые использовали компьютерную симуляцию для создания «жидкости, которая не является жидкостью». И хотя эксперимент был проведен в виртуальной среде, он дает важные представления о формировании кристаллов.Чтобы получить эту необычную жидкость, исследователи начали с коллоида – жидкости со взвешенными в ней частицами. Классическим примером коллоида является молоко – которое представляет собой фактически воду, но выглядит белым из-за большого количества взвешенных частиц жира и белка. Если заморозить молоко, оно превратится в кристаллизованную воду, а все белые частицы отделятся и затвердеют.
Особенностью коллоида является то, что если его молекулы связаны друг с другом определенным образом, то кристаллизации в нем не происходит. Вместо этого, коллоид принимает стабильную форму, которая кажется твердой, но имеет молекулярную структуру жидкости.Ведущий автор исследования, физик Фрэнк Смолленбург, симулировал такой коллоид на компьютере, и выяснил, как он ведет себя при понижении температуры. Использовав модель с четырьмя молекулярными связями, он обнаружил, что если эти связи были жесткими, кристаллизация наступала быстро. Однако, если они были гибкими, связи оставались неупорядоченными и формировали комковатые агломерации. При дальнейшем охлаждении они становились подобны стеклу – неупорядоченные молекулы, которые не двигаются, но формируют нечто вроде аморфного твёрдого тела.
«Когда мы сделали эти связи достаточно гибкими, жидкая фаза оставалась стабильной даже при экстремально низких температурах», говорит Смолленбург. «Частицы просто отказывались формировать кристалл, пока их не сжимали до очень высокой плотности».И что самое интересное — эта компьютерная симуляция описывает также и некоторые реальные системы. Существуют полимеры и большие органические молекулы вроде ДНК, которые имеют сходные характеристики. Таким же образом можно симулировать даже воду и кварц.
Следующим шагом ученых станут эксперименты с настоящими материалами для изучения полимеров. Смолленбург сообщает, что его группа объединилась с французской командой, которая исследует полимеры, ведущие себя как кварц при нагревании. Проделав определенную работу, можно будет применить новую симуляцию и к этим веществам, говорит Смолленбург.
