Soğutma sıvıları, cam geçişinin ardındaki kendi kendini sınırlayan parçacık kümelerini ortaya çıkarıyor

Teorik fizikçi Corentin Laudicina, camın gizemine dalmadan önce bizi bir anlığına lise fiziğine götürüyor. Her ne kadar cam geçişi sırasında bir malzemede tam olarak ne olduğunu incelemek için yıllarını harcamış olsa da, araştırmasının kafeterya masasında açıklanması en kolay şey olmadığını da anlıyor.

Okul kitaplarına göre madde üç farklı halde bulunabilir: gaz, sıvı ve katı. Su buharını, sıvı suyu ve buzu düşünün. Laudicina, malzemeyi oluşturan moleküllerin aynı olduğunu ancak hareket etme biçimlerinin büyük ölçüde farklı olduğunu açıklıyor.

Tezini çıkarıyor ve giriş bölümünden bir şekil gösteriyor. “Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, moleküller o kadar serbest hareket edebilir. Katı halde, kristal bir kafes içinde (sabit bir konumda, birbirlerinden sabit bir mesafede) düzenlenirler, ancak sıvıda birbirlerine göre sabit bir konuma sahip olmadan hareket edebilirler. Gaz fazında bu hareketler daha da serbesttir.”

Sıvı içecek bardağı

Ancak bu bilinen üç aşamaya ek olarak, bir malzemenin yeterince hızlı soğutulduğunda girebileceği dördüncü bir aşama daha vardır: cam aşaması. Laudicina, bunda alışılmadık bir şey olduğunu açıklıyor.

“Cam fazındaki bir malzemenin tuhaf yanı, katı gibi davranması, iç yapısının ise daha çok sıvıya benzemesidir. Sert bir kristal kafes yoktur, daha çok düzensiz bir yapı vardır. Yani bir anlamda içecek bardağı sıvıdır.”

Yumuşak Madde ve Biyolojik Fizik grubundan Laudicina ve meslektaşları, cam fazını daha iyi anlamak için bir sıvı soğutulduğunda ne olduğunu araştırıyor. Bir malzemenin viskozitesine, başka bir deyişle ne kadar kalın ve yavaş aktığına odaklanırlar.

“Sıcaklık düştükçe moleküller giderek daha az hareket edebilir hale gelir. Ancak cam geçişi çevresinde viskozite son derece hızlı bir şekilde artar; beklediğinizden çok daha hızlı. Ancak yine de malzemenin iç yapısı çok az değişir. Camın gizeminin özü budur.”

Karmaşık bilgisayar simülasyonları

Laudicina, dizüstü bilgisayarında Avustralya’daki Queensland Üniversitesi tarafından yürütülen ünlü bir deneyin canlı yayınını gösteriyor. Hareketsiz siyah bir madde içeren ters çevrilmiş bir huni görüyoruz.

“Bu zift düşüşü deneyi, bir sıvının ne kadar viskoz hale gelebileceğini gösteriyor. Asfaltın viskoz bir bileşeni olan zift, oda sıcaklığında kaya kadar serttir. Ama aslında son derece viskoz bir sıvıdır. O kadar viskozdur ki, huniden ortalama olarak her 10 yılda bir yalnızca bir damla düşer.”

Malzemelerin cam geçişi sırasında yapılarına göre beklediğinizden neden bu kadar farklı davrandığını anlamak için milyonlarca parçacığın uzun süreler boyunca hareketini takip edebilmeniz gerekir. Mikroskop bunu doğrudan yapamaz. Bu nedenle Laudicina’ya göre öncelikle “basitlik için çabalayan” teorik fizikçiler bilgisayar simülasyonlarına yöneliyorlar.

“Gerçek sıvıların moleküler karmaşıklığını bir ‘model sıvıya’ indirgedik: birbirleriyle nispeten basit yollarla etkileşime giren mükemmel küresel parçacıklardan oluşan bir sistem.”

Laudicina, TU/e ​​Süper Hesaplama Merkezi’nde yürüttüğü kadar karmaşık olan bu simülasyonları kullanarak, viskozitedeki büyük değişikliklerin, heterojen hareket eden parçacıklarla ilişkili olduğunu göstermeyi başardı.

Kalabalık festival

Aşırı soğutulmuş bir sıvıdaki parçacıkların tümü aynı hızda hareket etmez; bazıları neredeyse hiç hareket etmiyor, bazıları ise birlikte hareket eden gruplar oluşturuyor.

“Biraz festivallerdeki gibi, kalabalık alanlarda sahanın arkasında bira içmek istiyorsanız herkesin biraz hareket etmesi gerekiyor.”

Laudicina, sıvı soğudukça bu kümelerin nasıl değiştiğini ve bunun, sıvının cam geçişi sırasında kademeli yavaşlaması ile nasıl ilişkili olduğunu araştırdı.

Laudicina, farklı kümeleri hassas bir şekilde ölçerek ve onları daha uzun süre takip ederek çarpıcı bir şey keşfetti. Sıvı soğudukça kümeler başlangıçta büyür. Ancak belli bir sıcaklığın altında yeniden küçülmeye başlarlar.

Bu kümeleri hesaba katmayan eski teoriler, bunların süresiz olarak büyümeye devam edeceğini ve sıvının aniden sıkışıp kalmasına neden olacağını öngörüyordu. Laudicina’nın bulgularına göre ise tam tersi oluyor: Kümelenmeler kendi büyümelerine etkili bir şekilde doğal bir fren uyguluyor. Bunun laboratuvarda veya bilgisayar simülasyonlarında neden ani bir geçiş gözlemlenmediğini açıkladığını söylüyor.

“Denklemlerimizde bir tür geri bildirim mekanizması eksikti” diye açıklıyor. “Kümelerin büyüyeceğini tahmin edebiliyorlardı, ancak büyümelerinin sonunda yavaşlayacağını tahmin edemiyorlardı. Bu geri bildirimi teoriye dahil ettiğimizde -ki bu kesinlikle kolay bir iş değildi- teorinin daha önce öngördüğü keskin geçiş ortadan kalktı. Geriye kalan şey, simülasyonlarda gördüklerimizle neredeyse mükemmel bir şekilde eşleşti.”

Camdan kanser hücrelerine

Laudicina’ya göre bu keşif, cam geçişine yönelik araştırmalara yeni bir bakış açısı sunabilir. Yine de bunun öncelikle temel bir araştırma olduğunu hemen vurguluyor.

“Entelektüel düzeyde bu kesinlikle önemli olabilir. Artık cam fazındaki süreçlerin nasıl çalıştığını daha iyi anlıyoruz. İlginç olan ise bu fiziğin sıvılarla sınırlı olmaması.”

“Bir tümörü ele alalım. Bir dokudaki hücreler, simülasyonlarımızdaki parçacıklar gibi bir arada paketlenmiştir. Benzer şekilde sıkışıp kalabilirler, ancak aynı zamanda aniden tekrar hareket etmeye başlayabilir ve çevredeki dokuyu istila edebilirler. Grubumuz içinde bunu fizik perspektifinden araştırmak için hücre biyologlarıyla birlikte çalışıyoruz. Bu hücrelerin cam geçişine çok benzeyen bir şeye maruz kaldıklarına dair güçlü göstergeler var. Çok ilginç bir bağlantı.”

Laudicina sonuç bölümünde, işin şaşırtıcı bir şekilde burada bitmediğini vurguluyor. Benzer fiziksel problemler bilgisayar bilimleri ve makine öğreniminde de bulunabilir.

“Bu nedenle bu tür araştırmaları ‘bilgi için bilgi’ olarak etiketleme konusunda dikkatli olmalısınız. Tam da aynı fikirlerin, onları beklemeyeceğiniz yerlerde ortaya çıkmaya devam etmesi nedeniyle, onları temel düzeyde anlamaya kesinlikle değer.”