Υγρό γυαλί: Μια νέα κατάσταση της ύλης

Αν και το γυαλί είναι πανταχού παρόν, εξακολουθεί να αποτελεί ένα επιστημονικό αίνιγμα, καθώς, αντίθετα με ό,τι θα περίμενε κανείς, η αληθινή του φύση παραμένει εν μέρει μυστήριο. Στη Χημεία και τη Φυσική ο όρος γυαλί χρησιμοποιείται με διαφορετικούς τρόπους: Περιλαμβάνει το γνωστό καθημερινό γυαλί, μα αναφέρεται και σε ένα εύρος άλλων υλικών με ιδιότητες που μπορούν να εξηγηθούν/ περιγραφούν με αναφορά στη συμπεριφορά του γυαλιού- όπως πχ μέταλλα, πλαστικά, πρωτεΐνες, βιολογικά κύτταρα κ.α.

 

Το γυαλί δεν είναι «συμβατικά» στερεό: Κατά κανόνα, όταν ένα υλικό μεταβαίνει από υγρή σε στερεά κατάσταση, τα μόρια συντάσσονται έτσι ώστε να δημιουργούν μια κρυσταλλική δομή. Στο γυαλί αυτό δεν συμβαίνει: Αντ'αυτού, τα μόρια «παγώνουν» εκεί που είναι πριν λάβει χώρα κρυσταλλοποίηση. Αυτή η περίεργη κατάσταση είναι χαρακτηριστική σε πολλά διαφορετικά συστήματα, και οι επιστήμονες προσπαθούν ακόμα να κατανοήσουν πώς σχηματίζεται αυτή η κατάσταση.

 

Έρευνα από τους καθηγητές Αντρέας Ζούμπους και Ματίας Φουκς, στο University of Konstanz, έχει δώσει μια επιπλέον διάσταση στο αίνιγμα του γυαλού. Χρησιμοποιώντας ένα σύστημα/ μοντέλο που περιελάμβανε εναιωρήματα ελλειψοειδών κολλοειδών, ανακάλυψαν μια νέα κατάσταση της ύλης, το υγρό γυαλί, όπου μεμονωμένα σωματίδια μπορούν να κινούνται μα δεν μπορούν να περιστρέφονται- μια περίεργη συμπεριφορά. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

 

Τα εναιωρήματα κολλοειδών είναι μείγματα υγρών που περιέχουν στερεά σωματίδια τα οποία, σε μεγέθη ενός μικρομέτρου (ένα εκατομμυριοστό του μέτρου) ή παραπάνω, είναι μεγαλύτερα από άτομα ή μόρια και ως εκ τούτου καλύτερα για μελέτη μέσω οπτικών μικροσκοπίων.

 

Ως τώρα τα περισσότερα πειράματα με εναιωρήματα κολλοειδών βασίζονταν σε σφαιρικά κολλοειδή. Η πλειονότητα των φυσικών και τεχνικών συστημάτων, ωστόσο, αποτελούνται από μη σφαιρικά σωματίδια. Οι ερευνητές, των οποίων ηγήθηκε ο Αντρέας Ζούμπους, κατασκεύασαν μικρά πλαστικά σωματίδια, τεντώνοντας και ψύχοντάς τα μέχρι να επιτύχουν τις ελλειψοειδείς τους μορφές και μετά τα έβαλαν σε ειδικό διάλυμα. «Λόγω των ιδιαίτερων σχημάτων τους τα σωματίδιά μας έχουν προσανατολισμό- αντίθετα με τα σφαιρικά σωματίδια- που αναδεικνύει εντελώς νέα είδη πολύπλοκων συμπεριφορών, που δεν είχαν μελετηθεί στο παρελθόν» εξηγεί ο Ζούμπους.

 

Οι επιστήμονες μετά άλλαξαν τις συγκεντρώσεις σωματιδίων στα εναιωρήματα, και παρατήρησαν τις κινήσεις τους. Όπως λέει ο Ζούμπους, «σε συγκεκριμένες πυκνότητες σωματιδίων η κίνηση προσανατολισμού πάγωσε...με αποτέλεσμα υαλώδεις καταστάσεις όπου τα σωματίδια έφτιαχναν συμπλέγματα και σχημάτιζαν τοπικές δομές με παρόμοιο προσανατολισμό».

 

Αυτό που οι ερευνητές έχουν ορίσει ως υγρό γυαλί είναι αποτέλεσμα της αμοιβαίας παρεμπόδισης μεταξύ αυτών των συμπλεγμάτων και της πρόκλησης συσχετισμών μεγάλης εμβέλειας στον χώρο. Αυτά εμποδίζουν τον σχηματισμό ενός υγρού κρυστάλλου, που θα ήταν αυτό που θα περίμενε κανείς βάσει θερμοδυναμικής. Αυτό που παρατηρήρησαν στην πραγματικότητα οι ερευνητές ήταν δύο ανταγωνιστικές φάσεις μετάβασης του γυαλιού να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους- κάτι ιδιαίτερα ενδιαφέρον από επιστημονικής άποψης, όπως σχολίασε ο Φουκς.