Vasos que se derriten: El vaso

Reportaje del 24 de marzo de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

El proceso de transición de líquido a vidrio es un procedimiento complejo en la ciencia, al igual que la transición de vidrio a líquido conocida como fusión del vidrio. En un nuevo informe publicado en Science Advances, Qi Zhang y un equipo de investigación en física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong en China ensamblaron vidrios coloidales mediante deposición de vapor y los fundieron para observar la dinámica de transición vítrea.

Los parámetros estructurales y dinámicos se saturaron a diferentes profundidades para definir una capa líquida superficial y una capa intermedia vítrea. Los científicos observaron la cinética de una sola partícula con diversas características para confirmar las predicciones teóricas sobre la fusión de la capa superficial del vidrio.

El proceso de fusión del vidrio no es, como se supone, un proceso inverso a la transición de la formación del vidrio de líquido a vidrio. El mecanismo de fusión del vidrio se encuentra en una etapa preliminar de desarrollo, a diferencia del mecanismo intensamente estudiado de las transiciones de formación del vidrio. Los vidrios ultraestables han mostrado una fusión superficial heterogénea en un mecanismo de prefusión superficial para evitar la fusión desde el interior.

Los científicos de polímeros habían estudiado vidrios ultraestables atómicos y moleculares y describieron los coloides como sistemas modelo excepcionales para estudiar el comportamiento de fusión del vidrio debido a partículas a escala micrométrica y movimientos térmicos que pueden observarse mediante microscopía óptica. Los coloides proporcionan información microscópica importante sobre el vidrio a granel, incluida información sobre la fusión del vidrio a granel inducida por cizallamiento.

Los investigadores aún tienen que explorar la fusión masiva o superficial inducida térmicamente a nivel de partícula única, ya que requiere coloides con atracción sintonizable. En este trabajo, Zhang y sus colegas utilizaron coloides atractivos para medir la cinética microscópica en diversos rangos de temperatura, para examinar cambios de temperatura lentos y rápidos en muestras monocapa y multicapa, y comprender sus trayectorias de fusión y prefusión.

Durante los experimentos, Zhang y el equipo incorporaron una mezcla 50:50 de esferas de polímero para superar la cristalización y agregaron un tinte para inducir la atracción entre esferas de polimetacrilato de metilo. Bombearon el tinte a la región no calentada mediante termoforesis para disminuir la fuerza de atracción, mientras aumentaban linealmente la temperatura efectiva.

Los resultados arrojaron coloides monocapa y multicapa. El equipo ensambló los vidrios coloidales mediante deposición de vapor para formar vidrios moleculares ultraestables. Observaron las partículas mediante microscopía óptica y rastrearon los movimientos brownianos de las partículas con análisis de imágenes.

Los científicos observaron transiciones completas de fusión a 25,3 grados centígrados. Durante el proceso de prefusión del cristal, los investigadores predijeron en teoría el crecimiento de la ley de potencia del espesor del líquido en la superficie y observaron los resultados experimentalmente y con simulaciones. El equipo cuantificó la relación entre la estructura local y la dinámica, donde la región de baja densidad cerca de la superficie exhibió un comportamiento de transición de acoplamiento de modo de vidrio frágil, mientras que la región de alta densidad cerca de la masa exhibió el comportamiento de Arrhenius del vidrio fuerte.

Este cruce de frágil a fuerte con temperatura decreciente también se observó en el agua, los vasos metálicos y los vasos orgánicos/inorgánicos. La presente investigación se centra en la correlación dinámica estructural del vidrio a granel y el líquido superenfriado que proporciona una conexión cerca de la superficie.

Mientras que los cristales coloidales monocapa y bicapa mostraron comportamientos de fusión y prefusión superficial claramente diferentes, los vidrios coloidales monocapa y multicapa mantuvieron similitudes durante la fusión y la prefusión. La fusión de los cristales normalmente se observa aumentando abruptamente la temperatura por encima del punto de fusión. Para facilitar esto, el equipo cambió abruptamente el modo de temperatura para estudiar los procesos de fusión y prefusión del vidrio.

La temperatura de transición vítrea fue menor bajo cambios rápidos de temperatura, en comparación con el valor bajo cambios lentos de temperatura. Los vidrios bicapa y tricapa sometidos a cambios rápidos de temperatura exhibieron comportamientos previos a la fusión similares. Los investigadores ya habían observado la velocidad constante de fusión del vidrio ultraestable sin pruebas experimentales y mediante simulaciones, lo que coincidía con las observaciones realizadas en este estudio.

Zhang y el equipo observaron regiones de reordenamiento cooperativo que son cruciales para la relajación del vidrio cerca de la superficie. Definieron estas regiones como grupos compuestos por al menos dos partículas móviles y supusieron que contenían un núcleo compacto rodeado por una capa similar a una cuerda.

A medida que la temperatura efectiva aumentó con el tiempo, la morfología del material cambió de composiciones compactas a composiciones en forma de cuerdas, como se predijo y se observó en vidrios a granel. Durante el proceso de calentamiento, la región de reordenamiento cooperativo polarizado en la superficie del vidrio monocapa cambió de paralela a casi perpendicular, para facilitar la fusión. Lo contrario ocurrió en estas regiones durante el crecimiento del vidrio mediante deposición de vapor.

De esta manera, Qi Zhang y sus colegas llevaron a cabo la cinética de una sola partícula para revelar dos capas superficiales en el vidrio. La capa líquida en la parte superior permaneció estable a una temperatura fija en lugar de propagarse hacia la masa para indicar un comportamiento de prefusión en lugar de fusión. Notaron similitudes entre el vidrio y los cristales durante el proceso de prefusión y fusión; por ejemplo, los vidrios ordinarios exhibieron una fusión masiva similar a la nucleación, muy parecida a los cristales para respaldar el origen termodinámico de la transición vítrea. Los científicos de polímeros todavía se encuentran en la etapa preliminar del estudio de la fusión de la superficie del vidrio, lo que requiere detalles teóricos y experimentales a nivel de partícula única.

Hasta ahora, las simulaciones se habían centrado en la velocidad del frente de fusión y la profundidad de cruce desde la superficie hasta la fusión en masa, mientras que el concepto de prefusión del vidrio aún debe discutirse en profundidad. La superficie del vidrio también mostró una capa vítrea adicional en contraste con los procesos de prefusión del cristal, que van más allá de la teoría de la prefusión. Si bien los resultados de los comportamientos de prefusión/fusión observados aquí son similares a los de los vidrios a granel, contrastan con la dinámica de comportamiento de los cristales monocapa/bicapa.

Más información: Qi Zhang et al, Prefusión de superficies y fusión de vidrios coloidales, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf1101

Hajime Tanaka et al, Revelando características estructurales clave ocultas en líquidos y vasos, Nature Reviews Physics (2019). DOI: 10.1038/s42254-019-0053-3

Información de la revista:Avances científicos

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