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物理学家在玻璃的固液转变研究中发现了一种全新的物质状态，不同于目前已知的物态（气态、液态、固态、等离子态、超临界态等），其在微观层面上展现出从未观测到过的行为。相关研究由德国康斯坦茨大学的科学家发表在《美国科学院院刊》（PNAS），他们称这种介于固态和液态（如凝胶）之间的新物质状态为“液态玻璃”。
研究人员通过化学方法合成了球状的聚合物核壳胶体粒子，并用不同的荧光基团染色。之后对胶体粒子进行热机械拉伸，使其成为椭球状，冷却并稳定化处理后，再将它们混合入合适的溶剂中。用这种方法制备的胶体粒子尺寸为微米级别，它们相对于原子和分子更大，更便于使用光学显微镜观察研究。同时，由于其独特的形状，这种粒子更具方向性。
粒子的扫描电子显微镜照片，插图为共聚焦显微镜成像，横线长为5μm。图片来源：PNAS January 19, 2021 118 (3) e2018072118
德国康斯坦茨大学软凝聚态理论教授马蒂亚斯·福克斯（Matthias Fuchs）谈到：“我们的实验从理论高度来看十分有趣，它为临界波动和玻璃状阻滞之间相互作用的存在提供了证据，这是科学界一直在研究的问题。”
当材料从液态转变成固态，分子通常会排列成长程有序的晶体结构，但玻璃并非如此，其分子会被锁定在无序的状态中。研究中，研究人员改变了悬浮液中的粒子浓度，使用共聚焦显微镜追踪粒子在三维空间中的平移和旋转运动。当粒子密度到达一定程度之后，转动自由度被冻结，而平移运动依旧存在，由于粒子呈椭球状，因此可以观察到转动自由度被冻结时粒子的角度。他们发现，这些粒子聚集形成了取向近似的局部玻璃态结构，在材料内部形成阻塞，阻止液晶的形成。该状态即被称为液态玻璃，这意味着，这些粒子的灵活程度高于玻璃中的分子。
康斯坦茨大学物理化学系教授安德烈亚斯·祖姆布希（Andreas Zumbusch）解释说：“由于我们的粒子独特的形状，它们具有方向性，这是不同于球状粒子的，这导致了全新的、从未研究过的复杂现象。”
实际上，液态玻璃产生于两种相互竞争的玻璃态转变的相互作用：一是规则相变，另一种是非平衡相变。其中，影响液态玻璃制备的关键因素是粒子的形状和浓度。此前，液态玻璃一直是理论上的预测，研究人员希望这次的发现，可以帮助我们更好地理解玻璃态转变是如何在微纳尺度下工作的。
该研究进一步表明，这一发现不仅仅局限于玻璃体系，类似的动力学还可能有助于揭示，从最小的生物细胞到整个宇宙系统中，所有无法解释的复杂系统和无序状况背后的原因。同时，还有助于指导生产应用，如胶体上层结构的自组装，液晶器件的未来发展等。
来源：环球科学