کشف پدیده عجیب لایه مایع روی سطح شیشه
یخ همیشه و همه در ابعاد یخ نیست. حتی در دما‌های بسیار پایین‌تر از نقطه انجماد، سطح آن را می‌توان در فیلمی از اتم‌های شبه مایع با ضخامت آن معمولاً چند نانومتر پوشاند.
فرآیند تشکیل آن به عنوان پیش ذوب یا “ذوب سطحی” شناخته می‌شود، و به همین دلیل است که تکه‌های یخ شما می‌توانند حتی در فریزر به هم بچسبند.
علاوه بر یخ، ما یک لایه سطحی از یخ پیش ذوب شده را در طیف وسیعی از مواد با ساختار‌های کریستالی مشاهده کرده‌ایم، آن‌هایی که اتم‌های داخل آن در شبکه‌ای منظم قرار گرفته‌اند، مانند الماس، کوارتز و نمک خوراکی.
اکنون، برای اولین بار، دانشمندان ذوب سطحی را شیشه مشاهده کرده‌اند.
شیشه و یخ می‌توانند بسیار شبیه به هم به نظر برسند، اما اغلب در مقیاس اتمی بسیار متفاوت هستند. یخ کریستالی خوب و مرتب است، شیشه چیزی است که ما آن را جامد بی‌شکل مینامیم: هیچ ساختار اتمی واقعی ندارد. درعوض، اتم‌های آن به‌گونه‌ای بیشتر شبیه چیزی مایع فشردهشده‌اند.
همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید، تشخیص یک فیلم نیمه مایع از پیش ذوب شده روی سطح شیشه بسیار دشوارتر می‌شود.
تشخیص این لایه مایع لایه‌ای معمولاً با آزمایش‌هایی انجام می‌شود که شامل پراکندگی نوترون‌ها یا اشعه ایکس است که به نظم اتمی حساس هستند.
فیزیکدانانی به نام‌های کلمنس بچینگر و لی تیان از دانشگاه کنستانز در آلمان رویکرد متفاوتی داشتند. آن‌ها به جای کاوش در یک تکه شیشه اتمی، چیزی به نام شیشه کلوئیدی ایجاد کردند – تعلیقی از کره‌های شیشه‌ای میکروسکوپی معلق در مایعی که مانند اتم‌های شیشه اتمی رفتار می‌کند.
از آنجایی که کره‌ها ۱۰۰۰۰ برابر بزرگتر از اتم هستند، رفتار آن‌ها را می‌توان مستقیماً زیر میکروسکوپ مشاهده کرد و بنابراین، با جزئیات بیشتری مورد مطالعه قرار گرفت.
بچینگر و تیان با استفاده از میکروسکوپ و پراش، شیشه کلوئیدی آن‌ها را از نزدیک بررسی کردند و نشانه‌های ذوب سطح را شناسایی کردند. یعنی ذرات موجود در سطح سریعتر از ذرات شیشه فله زیر آن حرکت می‌کردند.
این غیرمنتظره نبود. چگالی شیشه حجیم بیشتر از چگالی سطح است، به این معنی که ذرات سطحی به معنای واقعی کلمه فضای بیشتری برای حرکت دارند.
محققان در مقاله خود می‌نویسند: “نتایج ما نشان می‌دهد که ذوب سطحی شیشه‌ها از نظر کیفی در مقایسه با کریستال‌ها متفاوت است و منجر به تشکیل یک لایه شیشه‌ای سطحی می‌شود. ”
از آنجایی که ذوب سطحی خواص سطح یک ماده را تغییر می‌دهد، درک بهتری از شیشه ارائه می‌دهد که در طیف وسیعی از کاربرد‌ها بسیار مفید است.
به عنوان مثال، تحرک سطح بالا می‌تواند توضیح دهد که چرا لایه‌های شیشه‌ای نازک پلیمری و فلزی در مقایسه با فیلم‌های ضخیم، رسانایی یونی بالایی دارند. ما در حال حاضر از این ویژگی در باتری‌ها استفاده می‌کنیم، جایی که این فیلم‌ها به عنوان هادی یونی عمل می‌کنند.
درک عمیق‌تر این ویژگی، عوامل ایجاد آن و چگونگی القای آن به دانشمندان کمک می‌کند تا راه‌های بهینه و حتی جدید برای استفاده از آن بیابند.
تحقیقات این تیم در Nature Communications منتشر شده.
