Плавление кристалла представляет собой процесс, при котором упорядоченная кристаллическая решетка разрушается под действием возрастающей температуры. Результатом становится неупорядоченная структура и высоко флуктуирующее динамическое поведение, характерное для жидкости. Этот переход включает в себя явное изменение как структуры вещества, так и его динамических свойств.
Стеклование, или переход из стеклообразного состояния в жидкое при нагревании, также приводит к жидкой фазе. Однако в этом случае аморфное твердое тело (стекло) трансформируется в жидкость преимущественно за счет изменения атомной динамики — от локализованных колебаний в стеклообразном состоянии к высоко флуктуирующему, диффузионному движению в жидкости. При этом явных изменений в структуре материала не наблюдается.
Недавнее открытие выявило общий физический принцип, управляющий обоими этими процессами. Установлено, что температура плавления кристалла (T_m) и температура стеклования (T_g) пропорциональны одной и той же физической величине. Это указывает на глубинную связь между двумя, казалось бы, различными фазовыми переходами.
Эта ключевая величина представляет собой отношение между хрупкостью (fragility) переохлажденной жидкости и коэффициентом теплового расширения материала. Хрупкость характеризует степень кооперативности атомной динамики в жидкости и измеряет, насколько резко вязкость переохлажденной жидкости возрастает при понижении температуры. Коэффициент теплового расширения показывает, насколько сильно материал расширяется при нагревании, отражая изменение межатомных расстояний.
Закон устанавливает прямую зависимость: температуры T_m и T_g прямо пропорциональны хрупкости жидкости и обратно пропорциональны коэффициенту теплового расширения материала. Чем выше хрупкость и ниже коэффициент расширения, тем выше будут температуры плавления и стеклования.
Первоначально этот закон был обнаружен эмпирически в Германии путем анализа экспериментальных данных для более чем 100 различных материалов. В выборку вошли полимеры, атомные и молекулярные системы, металлы и органические соединения. Несмотря на простоту формулировки и подтверждение данными, фундаментальное происхождение этой закономерности оставалось неясным.
Математический вывод эмпирического закона из фундаментальных принципов был впоследствии осуществлен в Геттингенском университете (Германия) Конрадом Замвером совместно с автором во время его гостевой профессуры имени Гаусса. Теоретическое обоснование базировалось на анализе того, как атомные движения и межатомные взаимодействия формируют макроскопическую жесткость, в частности, модуль сдвига.
Для вывода использовался расширенный критерий плавления, изначально предложенный Максом Борном, с учетом атомных движений, обусловленных дефектами решетки и тепловыми флуктуациями. Этот подход был объединен с моделью вязкоупругого поведения, приписываемой Максвеллу. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Chemical Physics.
Проблема понимания механизма плавления, особенно для трехмерных кристаллов, является одной из давних и сложных задач физики, история которой насчитывает более 100 лет. Различные подходы к ее решению предлагали Макс Борн, Невилл Мотт и Фредерик Линдеманн. Признано, что плавление 3D кристаллов — это сложный кооперативный процесс, включающий нелинейно связанные динамики множества атомов.
В отличие от трехмерного случая, плавление двумерных твердых тел изучено значительно лучше. Известно, что оно опосредовано механизмом разрыва дислокационных пар (dislocations-unbinding). Теория, описывающая этот процесс, была удостоена Нобелевской премии по физике в 2017 году, лауреатами которой стали Костерлиц и Таулесс.
Открытие единого закона для плавления и стеклования не только решает фундаментальную физическую проблему, но и открывает практические перспективы. Этот закон может быть использован для целенаправленного дизайна материалов с изменяемой фазой (phase-change materials).
Материалы с изменяемой фазой обладают способностью к управляемому переключению между жидким и твердым состояниями. Такие свойства делают их востребованными в различных технологических приложениях, включая разработку новых элементов для электроники и оборонной промышленности.
Изображение носит иллюстративный характер
Стеклование, или переход из стеклообразного состояния в жидкое при нагревании, также приводит к жидкой фазе. Однако в этом случае аморфное твердое тело (стекло) трансформируется в жидкость преимущественно за счет изменения атомной динамики — от локализованных колебаний в стеклообразном состоянии к высоко флуктуирующему, диффузионному движению в жидкости. При этом явных изменений в структуре материала не наблюдается.
Недавнее открытие выявило общий физический принцип, управляющий обоими этими процессами. Установлено, что температура плавления кристалла (T_m) и температура стеклования (T_g) пропорциональны одной и той же физической величине. Это указывает на глубинную связь между двумя, казалось бы, различными фазовыми переходами.
Эта ключевая величина представляет собой отношение между хрупкостью (fragility) переохлажденной жидкости и коэффициентом теплового расширения материала. Хрупкость характеризует степень кооперативности атомной динамики в жидкости и измеряет, насколько резко вязкость переохлажденной жидкости возрастает при понижении температуры. Коэффициент теплового расширения показывает, насколько сильно материал расширяется при нагревании, отражая изменение межатомных расстояний.
Закон устанавливает прямую зависимость: температуры T_m и T_g прямо пропорциональны хрупкости жидкости и обратно пропорциональны коэффициенту теплового расширения материала. Чем выше хрупкость и ниже коэффициент расширения, тем выше будут температуры плавления и стеклования.
Первоначально этот закон был обнаружен эмпирически в Германии путем анализа экспериментальных данных для более чем 100 различных материалов. В выборку вошли полимеры, атомные и молекулярные системы, металлы и органические соединения. Несмотря на простоту формулировки и подтверждение данными, фундаментальное происхождение этой закономерности оставалось неясным.
Математический вывод эмпирического закона из фундаментальных принципов был впоследствии осуществлен в Геттингенском университете (Германия) Конрадом Замвером совместно с автором во время его гостевой профессуры имени Гаусса. Теоретическое обоснование базировалось на анализе того, как атомные движения и межатомные взаимодействия формируют макроскопическую жесткость, в частности, модуль сдвига.
Для вывода использовался расширенный критерий плавления, изначально предложенный Максом Борном, с учетом атомных движений, обусловленных дефектами решетки и тепловыми флуктуациями. Этот подход был объединен с моделью вязкоупругого поведения, приписываемой Максвеллу. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Chemical Physics.
Проблема понимания механизма плавления, особенно для трехмерных кристаллов, является одной из давних и сложных задач физики, история которой насчитывает более 100 лет. Различные подходы к ее решению предлагали Макс Борн, Невилл Мотт и Фредерик Линдеманн. Признано, что плавление 3D кристаллов — это сложный кооперативный процесс, включающий нелинейно связанные динамики множества атомов.
В отличие от трехмерного случая, плавление двумерных твердых тел изучено значительно лучше. Известно, что оно опосредовано механизмом разрыва дислокационных пар (dislocations-unbinding). Теория, описывающая этот процесс, была удостоена Нобелевской премии по физике в 2017 году, лауреатами которой стали Костерлиц и Таулесс.
Открытие единого закона для плавления и стеклования не только решает фундаментальную физическую проблему, но и открывает практические перспективы. Этот закон может быть использован для целенаправленного дизайна материалов с изменяемой фазой (phase-change materials).
Материалы с изменяемой фазой обладают способностью к управляемому переключению между жидким и твердым состояниями. Такие свойства делают их востребованными в различных технологических приложениях, включая разработку новых элементов для электроники и оборонной промышленности.
