Lichidele răcite dezvăluie aglomerări de particule auto-limitate în spatele tranziției spre sticlă
Într-un studiu recent, fizicianul teoretician Corentin Laudicina, de la Universitatea de Tehnologie din Eindhoven, a investigat comportamentul neobișnuit al materialelor în timpul tranziției spre sticlă, folosind simulări complexe pe calculator. Rezultatele arată că aglomerările de particule care se mișcă împreună în lichidele superrăcite își limitează singure creșterea, ceea ce explică de ce nu se observă o tranziție bruscă în experimente.
Potrivit explicațiilor sale, materia poate exista în trei stări familiare: gaz, lichid și solid. Într-un solid, moleculele sunt aranjate într-o rețea cristalină fixă, în timp ce într-un lichid ele se pot mișca liber, fără poziții fixe. Există însă și o a patra fază, cea sticloasă, în care materialul se comportă ca un solid, dar structura sa internă rămâne dezordonată, asemănătoare unui lichid. Astfel, un pahar de băut este, într-un anumit sens, un lichid.
Pentru a înțelege mai bine faza sticloasă, cercetătorii au studiat ce se întâmplă când un lichid este răcit, concentrându-se pe vâscozitate. Pe măsură ce temperatura scade, moleculele devin tot mai puțin capabile să se miște, iar în apropierea tranziției spre sticlă vâscozitatea crește extrem de rapid, mult mai repede decât s-ar aștepta, în timp ce structura internă a materialului se schimbă abia perceptibil. Acesta este miezul misterului sticlei.
Pentru a urmări mișcarea a milioane de particule pe perioade lungi, imposibil de observat direct la microscop, fizicienii teoreticieni au apelat la simulări pe calculator. Ei au redus complexitatea moleculară a lichidelor reale la un „lichid model”, format din particule sferice perfecte care interacționează în moduri relativ simple. Simulările, atât de complexe încât au fost rulate prin Centrul de Supercalcul al TU/e, au arătat că schimbările majore de vâscozitate sunt legate de mișcarea heterogenă a particulelor.
Într-un lichid superrăcit, nu toate particulele se mișcă cu aceeași viteză; unele abia se mișcă, în timp ce altele formează grupuri care se deplasează împreună, asemănător situației dintr-un festival aglomerat, unde toți trebuie să se miște puțin pentru ca cineva să ajungă la o bere în spatele mulțimii. Laudicina a investigat modul în care aceste aglomerări se schimbă pe măsură ce lichidul se răcește și cum se leagă acest lucru de încetinirea treptată a lichidului în timpul tranziției spre sticlă.
Măsurând cu precizie aglomerările și urmărindu-le pe perioade mai lungi, cercetătorul a descoperit ceva izbitor: pe măsură ce lichidul se răcește, aglomerările devin inițial mai mari, dar sub o anumită temperatură încep să scadă din nou. Teoriile mai vechi, care nu țineau cont de aceste aglomerări, preziceau că ele vor crește la nesfârșit, provocând blocarea bruscă a lichidului. Conform noilor descoperiri, se întâmplă opusul: aglomerările își pun singure o frână naturală asupra creșterii.
Aceasta explică de ce nu se observă o tranziție abruptă nici în laborator, nici în simulările pe calculator. „Ecuațiile noastre omiteau un fel de mecanism de feedback”, explică Laudicina. „Puteau prezice că aglomerările vor crește, dar nu că această creștere se va încetini singură. Odată ce am încorporat acel feedback în teorie, tranziția bruscă prezisă anterior a dispărut, iar ce a rămas se potrivea aproape perfect cu ceea ce vedem în simulări.”
Deși descoperirea oferă o perspectivă nouă asupra cercetării tranziției spre sticlă, Laudicina subliniază că este în primul rând cercetare fundamentală. Totuși, fizica nu se oprește la lichide. „Luați o tumoare. Celulele dintr-un țesut sunt împachetate la fel ca particulele din simulările noastre. Ele se pot bloca într-un mod similar, dar pot și să înceapă brusc să se miște din nou și să invadeze țesutul din jur. În cadrul grupului nostru, lucrăm cu biologi celulari pentru a investiga acest lucru din perspectiva fizicii. Există indicii puternice că aceste celule trec printr-un proces care seamănă foarte mult cu o tranziție spre sticlă.”
Laudicina adaugă că problema nu se oprește aici. Probleme fizice similare apar și în informatică și învățarea automată. „De aceea trebuie să fim atenți când etichetăm acest tip de cercetare drept «cunoaștere de dragul cunoașterii». Tocmai pentru că aceleași idei apar în locuri în care nu te aștepți, merită cu siguranță înțelese la nivel fundamental.”
