物理學家觀察到全新的物質狀態:液態玻璃 | PNAS

2021-02-14 科研圈

物理學家在玻璃的固液轉變研究中發現了一種全新的物質狀態，不同於目前已知的物態（氣態、液態、固態、等離子態、超臨界態等），其在微觀層面上展現出從未觀測到過的行為。相關研究由德國康斯坦茨大學的科學家發表在《美國科學院院刊》（PNAS），他們稱這種介於固態和液態（如凝膠）之間的新物質狀態為「液態玻璃」。

編譯 周郅璨

審校 王昱

研究人員通過化學方法合成了球狀的聚合物核殼膠體粒子，並用不同的螢光基團染色。之後對膠體粒子進行熱機械拉伸，使其成為橢球狀，冷卻並穩定化處理後，再將它們混合入合適的溶劑中。用這種方法製備的膠體粒子尺寸為微米級別，它們相對於原子和分子更大，更便於使用光學顯微鏡觀察研究。同時，由於其獨特的形狀，這種粒子更具方向性。

 

粒子的掃描電子顯微鏡照片，插圖為共聚焦顯微鏡成像，橫線長為5μm。圖片來源：PNAS January 19, 2021 118 (3) e2018072118

德國康斯坦茨大學軟凝聚態理論教授馬蒂亞斯·福克斯（Matthias Fuchs）談到：「我們的實驗從理論高度來看十分有趣，它為臨界波動和玻璃狀阻滯之間相互作用的存在提供了證據，這是科學界一直在研究的問題。」

 

當材料從液態轉變成固態，分子通常會排列成長程有序的晶體結構，但玻璃並非如此，其分子會被鎖定在無序的狀態中。研究中，研究人員改變了懸浮液中的粒子濃度，使用共聚焦顯微鏡追蹤粒子在三維空間中的平移和旋轉運動。當粒子密度到達一定程度之後，轉動自由度被凍結，而平移運動依舊存在，由於粒子呈橢球狀，因此可以觀察到轉動自由度被凍結時粒子的角度。他們發現，這些粒子聚集形成了取向近似的局部玻璃態結構，在材料內部形成阻塞，阻止液晶的形成。該狀態即被稱為液態玻璃，這意味著，這些粒子的靈活程度高於玻璃中的分子。

 

康斯坦茨大學物理化學系教授安德烈亞斯·祖姆布希（Andreas Zumbusch）解釋說：「由於我們的粒子獨特的形狀，它們具有方向性，這是不同於球狀粒子的，這導致了全新的、從未研究過的複雜現象。」

 

實際上，液態玻璃產生於兩種相互競爭的玻璃態轉變的相互作用：一是規則相變，另一種是非平衡相變。其中，影響液態玻璃製備的關鍵因素是粒子的形狀和濃度。此前，液態玻璃一直是理論上的預測，研究人員希望這次的發現，可以幫助我們更好地理解玻璃態轉變是如何在微納尺度下工作的。

 

該研究進一步表明，這一發現不僅僅局限於玻璃體系，類似的動力學還可能有助於揭示，從最小的生物細胞到整個宇宙系統中，所有無法解釋的複雜系統和無序狀況背後的原因。同時，還有助於指導生產應用，如膠體上層結構的自組裝，液晶器件的未來發展等。

論文信息：

Observation of liquid glass in suspensions of ellipsoidal colloids. ProfileJörg Roller,  Aleena Laganapan,  Janne-Mieke Meijer,  Matthias Fuchs, and  Andreas Zumbusch. PNAS January 19, 2021 118 (3) e2018072118; 

https://doi.org/10.1073/pnas.2018072118

 

參考連結：

https://www.sciencealert.com/scientists-have-discovered-a-new-state-of-matter-called-liquid-glass

https://www.pnas.org/content/118/3/e2018072118

本文轉載自公眾號「環球科學」

（ID:huanqiukexue）


相關焦點

  • 物理學家觀察到一種全新的物質狀態
    物理學家已經發現了一種新的物質狀態，該狀態隱藏在玻璃的液態和固態之間發生的神秘轉變中。玻璃化轉變對科學家非常著迷，新的物質狀態——稱為「液體玻璃」——在微觀水平上表現出前所未有的行為，將其與先前觀察到的現象區分開來。
  • 純物質?從一種液態到另一種液態的奇妙相變
    通過展示由一種分子組成的液體如何在液體和玻璃態之間切換，這項研究可能會帶來一種控制液體輸運特性的新方法。相變包括諸如冰融化(固態到液態)，或從茶壺中冒出的蒸汽(液態到氣態)等現象。然而，對分子排列如何變化的研究揭示了分子間相互作用強度的複雜細節。在傳統相變過程中，就像鐵棒熔化成熔化的金屬一樣，增加的熱量會使原子劇烈地振動，從而打破它們的固態晶格結構，呈現出液態。
  • 固態、液態和氣態後:為何不斷發現新的物質狀態?
    我們常見的物質有三種基本狀態，即固態、液態和氣態。這是一個理解我們所處物理世界的簡單方法。當然，如果你還記得一點高中時的科學知識，你可能會想起物質的第四種狀態：等離子態。如果關注科學新聞，你可能還聽說過「玻色-愛因斯坦凝聚態」。這就有五種物質狀態了。那麼，簡併態物質呢？
  • 為什麼物理學家不斷發現物質的新狀態?
    1924年，首次在理論上提出的玻色-愛因斯坦凝聚態緊隨其後，我們對物理學不斷擴大的理解很快就清楚地表明，即使是日常生活中，物質的狀態也比我們可能意識到的要多得多。 對於物理學家來說，冰箱上的磁鐵與冰箱本身是不同的物質。 一個酒杯和它所坐的木架子同樣代表著兩種不同的物質狀態。 實際上，物質的狀態只是指原子或組成粒子的排列方式。
  • 不屬於氣態、液態和固態:新物質狀態被發現
    物質是由分子、原子構成的，我們通常所見的物質往往是氣態、液態、固態三種狀態。現在，科學家又發現了一種全新的物質狀態。據外媒報導，德國康斯坦茨大學的科學家發表在《美國科學院院報》（PNAS）上的一項新研究指出，他們發現一種介於固態和液態（如凝膠）之間的新物質狀態，稱之為「液態玻璃」。
  • 了解一下,科學家也回答不了的問題,玻璃是固態還是液態?
    我們在中學就學過物質具有三種狀態：氣體、液體和固體。生活中很多物質都能夠輕鬆將它們歸類到這三者之中，然而玻璃究竟是屬於哪種狀態卻一直是物理學的老大難問題，就連《科學》雜誌，都曾將玻璃態物質的本質是什麼列入125個最具挑戰性的科學前沿問題之一。
  • 科學家發現新物質狀態:不屬於氣態、液態和固態
    物質是由分子、原子構成的，我們通常所見的物質往往是氣態、液態、固態三種狀態。現在，科學家又發現了一種全新的物質狀態。 據外媒報導，德國康斯坦茨大學的科學家發表在《美國科學院院報》（PNAS）上的一項新研究指出，他們發現一種介於固態和液態（如凝膠）之間的新物質狀態，稱之為「液態玻璃」。
  • 10種物質狀態，你就只知道固態，液態和氣體？
    大多數人可以輕易地說出三種經典的物質狀態——液體，固體和氣體。上過一些科學課程的人們會知道應該將等離子體添加該行列。但是，多年來，科學家們已經將基本物態擴大到遠遠超出我們熟知的四大物態之外。玻璃製造商將液態二氧化矽冷卻，使其溫度低於熔點，隨著溫度降低，粘度增加。然而，玻璃分子仍然保持其組織結構。如此一來，玻璃就成為非晶固體。這個中間過程使得工匠創造出美麗、超現實的玻璃雕塑。那麼，非晶固體和正常固體的區別在哪裡呢?在日常生活中，它們之間並沒有多少區別。
  • 第一次,科學家在量子氣體中觀察到了新的物質狀態
    物理學家已經在量子氣體難以捉摸的內部觀察到一種新的物質狀態。在格林的童話故事中， 薄紗般的氣體線能夠捆綁巨人，這種匪夷所思的東西令孩子們充滿了無盡遐想。但是，像這樣的材料在物理學理論上是不可能存在的，因為在實踐中，它們在形成時會不可避免地崩潰。美國史丹福大學的研究人員現在發現，他們可以製造出一種即使在相當大的力下也足夠穩定以抵抗塌陷成雲的材料。
  • 「玻璃心」碎了?其實是「液態金屬心」碎了-虎嗅網
    但當我們把玻璃敲碎，把它的粉末拿到顯微鏡下觀察，卻會發現它的分子排列混亂無序，相比於金屬、陶瓷、冰塊這些分子排列整齊有序的固態而言，玻璃更像是液態。其實，準確來說，玻璃是玻璃態。凝固是液體中無序排列的分子逐漸過渡為整齊排列的狀態的過程，就好像在操場上自由活動的學生，在聽到老師喊集合的命令後，陸陸續續地排成一個個整齊的隊伍一樣。這種分子整齊堆積在一起的狀態叫做晶態，處於晶態的物質叫做晶體。那液體冷卻一定會得到晶體麼？當然不是。若液體冷卻到了低於熔點溫度卻仍然不結晶，這時我們就說這種液體「過冷」了。
  • 醫學院劉靜課題組首次提出輕量化液態金屬物質概念
    醫學院劉靜課題組首次提出輕量化液態金屬物質概念清華新聞網4月14日電 近日，清華大學醫學院生物醫學工程系劉靜教授課題組在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上發表了題為「輕量化液態金屬物質」（Lightweight Liquid Metal Entity）的研究論文，首次提出了輕量化液態金屬物質的概念
  • 疫情隔離,物理學家用量子技術遠程製造出第五種物質狀態
    來源：新浪科技Amruta Gadge博士的家距離蘇塞克斯大學的實驗室約3公裡，目前她只能居家工作，可以在她的屏幕上看到玻色-愛因斯坦凝聚的圖像新浪科技訊 北京時間5月26日消息，據國外媒體報導，在新冠病毒疫情隔離期間，英國一位物理學家在自家客廳利用量子技術遠程控制實驗室設備，製造出了第五種物質狀態。
  • [圖]美科學家將製造懸浮金屬液滴揭開玻璃之謎
    懸浮室將幫助科學家揭開玻璃謎團.玻璃是一種令人迷惑不解的形態,物質屬性更接近液體而不是固體.通過懸浮室實驗,物理學家希望進一步了解物質從液體變成 玻璃過程中原子到底發生了什麼.     我們通常簡單地認為,玻璃就是安裝在窗戶上的東西,但實際上,玻璃也是一種物質形態,就像氣態、液態或者固態一樣.所有液體都能變成玻璃,只是難易程度不同罷了.美國華盛頓大學聖路易斯分校物理學家肯尼斯·凱爾頓表示
  • 陳根:液態玻璃遭科學證實,二十年來第一次
    文/陳根雖然玻璃是我們日常生活中普遍使用的材料，但它同時也存在難解的科學問題。與人們可能預期的相反，玻璃的真實性質仍然是個科學謎題，對其化學和物理性質的科學研究仍在進行中。事實上，在化學和物理學中，玻璃一詞本身就是一個可變的概念：它包括我們所知的窗玻璃物質，但它也可以指一系列其他材料，這些材料的性質可以通過類似玻璃的行為來解釋，例如，包括金屬、塑料、蛋白質，甚至生物細胞。雖然玻璃可能會給人留下印象，但它絕不是傳統的固體。通常，當一種物質從液態轉變為固態時，分子排列成一排形成晶體圖案。在玻璃中，這種情況不會發生。
  • 我們知道物質有固氣液三種狀態,但實際遠超你的想像!
    中學物理就已經教過，物質一般分為三種狀態：固狀、液態、氣態。還有人可能了解有液晶態和等離子狀態等，但是到底有多少種物質狀態呢？百度百科中介紹了7種狀態氣態、液態、固態、等離子態、超臨界態、超固態、中子態。但是百度百科中分類介紹得不清楚，容易讓人產生誤會。
  • 全新磁性材料展現量子自旋液態,有望應用於量子計算等領域
    全新磁性材料展現量子自旋液態，有望應用於量子計算等領域 據物理學家組織網1月22日報導，一個國際科研團隊在尋找新的物質形態方面取得重大突破：他們證明，與鈣鈦礦相關的金屬氧化物TbInO3展現出量子自旋液態
  • 醫學院劉靜教授課題組首次觀察到液態金屬流體宏觀體系中的波粒二...
    清華新聞網6月8日電 近日，清華大學醫學院劉靜教授課題組聯合中國科學院理化技術研究所，在液態金屬基礎研究中取得進展，實驗中首次觀察到了液態金屬流體宏觀體系中的波粒二象性，為藉助金屬流體行為認識量子世界乃至更多物理體系開啟了一條全新的途徑（圖1）。
  • 量子力學科普:量子相變,從一個狀態到另一個狀態的華麗變身
    相變相變，通過來說就是由一種「相」轉化到另外一種「相」，「相」，我們可以通俗的理解成物質的外部參數（溫度、磁性等），最簡單的「相」就是物質的狀態，物質可以有有多種的存在狀態，例如：我們喝的水，水是液態，我們呼吸的空氣，空氣是氣態，自然界中大多數的金屬是以固態的當時存在，氣態、液態、固態就是物質的三種「相」，其本質上就是物質分子或者原子之間距離的不通過
  • 一個看起來很簡單的問題：玻璃是固體還是液體？
    人類使用玻璃的歷史至少可以追溯到4000年前，時至今日，玻璃更是在我們的生活中無處不在，而如果有人問起一個看起來很簡單的問題：玻璃是固體還是液體？相信很多人都會不假思索地說出答案：「玻璃當然是固體了」。但事實真是這樣嗎？我們不要急著下結論，因為這個問題其實不簡單。
  • 夸克是所有物質的基石,單獨的夸克是無法被直接或間接地觀察到
    圖：夸克是所有物質的基本成分，但似乎沒有任何結構，似乎不可分割。「好吧，我認為最簡單的表述方式是夸克是物質的基本組成部分，是我們周圍所有物質的基本組成部分，」傑弗裡韋斯特解釋說，他是一位理論物理學家，是洛斯阿拉莫斯國家實驗室高能物理小組創始人，現在是聖達菲研究所的沙南傑出教授。（他還是2017年暢銷書《尺度》（scale）的作者。）