В рамках опыта с эллиптическими частицами физики обнаружили сразу два вида коллоидного стекла. Статья ученых появилась в журнале Physical Review Letters (pdf), а ее краткое изложение приводится на сайте Американского физического общества.
Стеклом называется твердое метастабильное (то есть состояние неустойчивого равновесия) состояние вещества, при котором у него отсутствует кристаллическая решетка и некоторые признаки кристаллизации наблюдаются только на малых масштабах. Изучение перехода в стеклообразное состояние представляет для ученых значительный интерес: например, многие расплавы при быстром охлаждении превращаются в стекло, которое по своим свойствам может сильно отличаться от твердого состояния вещества. Вместе с тем никаких общепринятых теорий в этой области нет.
В рамках исследования ученые моделировали переход в стеклообразное состояние коллоидной жидкости — обычной воды, в которую были помещены пластиковые частицы, представлявшие собой эллипсоиды вращения с осями 3,33 микрометра и 0,56 микрометра. Слой коллоидной жидкости был зажат между двумя параллельными стеклами. Наблюдения проводились при помощи микроскопа и видеокамеры.
Главным параметром, который, как оказалось, управляет поведением частиц, оказалась безразмерная величина, характеризующая среднюю долю единичного объема, занимаемого частицами. В частности, если эта величина меньше 0,72, то частицы могут, под воздействием броуновского движения молекул воды, совершать как вращательные, так поступательные движения. Если отношение оказывалось в пределах от 0,72 до 0,79, то у частиц пропадала возможность вращаться, однако возможность совершать поступательные движения сохранялась (ученые назвали такое состояние первым типом коллоидного стекла). Наконец дальнейшее повышение концентрации приводило к окончательному превращению коллоидной жидкости в стекло (второй вид коллоидного стекла).
По словам ученых, наличие двух этапов перехода (предсказанное еще в работах физиков в конце 90-х годов прошлого века) в стеклянное состояние объясняется эллиптической формой частиц — в прежних опытах переход в стеклообразное состояние был одноэтапным, поскольку использовались сферические частицы. Сами исследователи надеются, что собранные ими данные помогут в создании теоретической основы для описания трансформации веществ в стеклообразное состояние.