Vidrio fundido: la transición del vidrio al líquido

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

Parámetros estructurales y dinámicos saturados a diferentes profundidades para definir una capa líquida superficial y una capa intermedia vítrea. Los científicos observaron la cinética de una sola partícula con varias características para confirmar las predicciones teóricas de la fusión de la capa superficial de vidrio.

La dinámica del vidrio fundido

El proceso de fusión del vidrio no es, como se supone, un proceso inverso de la transición de formación de vidrio de líquido a vidrio. El mecanismo para fundir el vidrio se encuentra en una etapa preliminar de desarrollo, en contraste con el mecanismo intensamente estudiado de transiciones de formación de vidrio. Las gafas ultraestables han demostrado fusión superficial heterogénea en un mecanismo de prefusión de superficie para evitar que se derrita desde adentro.

Los científicos de polímeros tenían estudió atómica y molecular vidrios ultraestables, y describió los coloides como excelentes sistemas modelo para estudiar el comportamiento de fusión del vidrio debido a partículas de escala micrométrica y movimientos térmicos que se pueden ver a través de microscopia óptica. Los coloides brindan información microscópica importante sobre el vidrio a granel, que incluye Perspectivas para la fusión de vidrio a granel inducida por cizallamiento.

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

Los experimentos de fusión del vidrio: prefusión de la superficie bajo cambios lentos de temperatura

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

Los resultados produjeron coloides monocapa y multicapa. El equipo ensambló los vidrios coloidales por deposición de vapor para formar vidrios moleculares ultraestables. Observaron las partículas a través de microscopía de luz y rastrearon los movimientos brownianos de las partículas con análisis de imagen.

El impacto del cambio lento de temperatura en los parámetros estructurales y dinámicos

Los científicos observaron transiciones completas de fusión de masas a 25,3 grados centígrados. Durante el proceso de prefusión del cristal, los investigadores predijeron el crecimiento de la ley de potencia del espesor del líquido superficial. En teoriay observo los resultados experimentalmenteEs 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 el comportamiento de transición de acoplamiento de modos del vidrio quebradizo, mientras que la región de alta densidad cerca del volumen exhibió el comportamiento arrhenius vidrio resistente.

Este cruce de frágil a fuerte con la disminución de la temperatura también se ha visto en agua, gafas metalicasEs vidrio orgánico/inorgánico. La presente investigación se centra en la correlación dinámica estructural del vidrio a granel y el líquido sobreenfriado a partir de una conexión cercana a la superficie.

Dinámica multicapa y cambios de temperatura.

Mientras que la monocapa y la bicapa cristales coloidales mostró claramente diferentes comportamientos de pre-fusión y superficie de fusión, la monocapa y la multicapa vasos coloidales mantuvieron similitudes durante la fusión y antes de la fusión. La fusión de los cristales se observa típicamente por un aumento abrupto de 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 en vidrio.

La temperatura de transición vítrea fue menor en cambios rápidos de temperatura en comparación con el valor en cambios lentos de temperatura. Los vidrios bicapa y tricapa sometidos a cambios rápidos de temperatura exhibieron comportamientos de prefusión similares. Los investigadores habían observado previamente la velocidad constante de fusión en vidrio ultraestable sin una prueba experimental Es con simulacioneslo que concuerda con las observaciones realizadas en este estudio.

Regiones de reorganización cooperativa

Zhang y su equipo notaron regiones de reorganización cooperativa que son cruciales para relajación de vidrio cerca de la superficie. Definieron estas regiones como cúmulos compuestos por al menos dos partículas móviles y asumieron que contenían un núcleo compacto rodeado por una capa similar a una cuerda.

A medida que la temperatura efectiva aumentaba con el tiempo, la morfología del material cambiaba de composiciones compactas a similares a cuerdas, como visto el futuro Es observado en vasos a granel. Durante el proceso de calentamiento, la región de reordenamiento cooperativo polarizado en la superficie del vidrio monocapa cambió de paralelo a casi perpendicular para facilitar la fusión. Lo contrario fue cierto para estas regiones durante el crecimiento del vidrio mediante deposición de vapor.

Panorama

De esta manera, Qi Zhang y sus colegas realizaron una cinética de partículas individuales 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 en el volumen para indicar un comportamiento de prefusión en lugar de fusión. Observaron similitudes entre el vidrio y los cristales durante el proceso de prefusión y fusión, por ejemplo, los vidrios ordinarios exhibieron una fusión en masa similar a la nucleación, al igual que los cristales para resistir el origen termodinámico de la transición vítrea. Los científicos de polímeros aún se encuentran en la etapa preliminar de estudiar la fusión de la superficie del vidrio, lo que requiere detalles teóricos y experimentales a nivel de partículas individuales.

Hasta ahora, las simulaciones se han centrado en la velocidad de fusión frontal y la profundidad de cruce de fusión superficial a granel, mientras que el concepto de vidrio prefundido todavía necesita ser discutido 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. Aunque los resultados de los comportamientos de prefusión/fusión observados aquí son similar a los vasos a granelestán en contraste con la dinámica de comportamiento de cristales monocapa/bicapa.