Verrückte Physik: Wissenschaftler untersuchen, wie man nicht flüssige Flüssigkeiten erzeugt

Wenn die Temperatur zu stark gesenkt wird, werden viele Materialien zu festen Kristallen. Zumindest sagen dies die Theorien der traditionellen Physik voraus. Die Regel kann jedoch Ausnahmen haben, da zwei Wissenschaftler glauben, eine Flüssigkeit gefunden zu haben, die sich trotz ihres flüssigen Zustands als stabiler als ein fester Kristall herausstellt.

Das in der Fachzeitschrift Nature Physics beschriebene Experiment stellte ein reines Rechenmodell dieser merkwürdigen Flüssigkeit dar, bietet jedoch möglicherweise neue Einblicke in den Prozess der Kristallbildung und verhindert, dass sie sich bilden oder auf andere Weise zu ihrer Bildung führen. Sie haben keine bestimmte Form.

Wie macht man eine Flüssigkeit, die nicht flüssig ist?

Um dieses bizarre Material herzustellen, experimentierten die Wissenschaftler mit einem Kolloid, einer Flüssigkeit mit kleinen Schwebeteilchen. Ein klassisches Beispiel für ein Kolloid ist Milch, die, obwohl sie praktisch aus Wasser besteht, aufgrund der zahlreichen Fett- und Proteinpartikel, die in der Mischung schwimmen, ihre Farbe, ihren Geschmack und ihre Konsistenz verändert hat.

Die Milch gefriert jedoch. Wenn die Moleküle eines Kolloids jedoch spezifisch organisiert sind, tritt keine Kristallisation auf und das Material nimmt eine stabile, fest aussehende Form an, die die Molekülstruktur einer Flüssigkeit aufweist.

Mithilfe von Molekülen mit vier Bindungen in einem Rechenmodell stellten die Wissenschaftler fest, dass die Kristallisation bei starren Bindungen schnell abläuft. Wenn sie gebogen werden, bleiben die Bindungen unübersichtlich und bilden körnige Klumpen. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird das Material zu einem Glas mit ungeordneten Molekülen, die eine Art amorphen Feststoff bilden.

Flexible Moleküle

Grundsätzlich verhalten sich Moleküle mit flexiblen Bindungen so, weil beim Abkühlen zwei Kräfte in der Flüssigkeit miteinander konkurrieren: Energie und Entropie. Dies ist ein Maß dafür, wie überladen ein System aussieht. In Flüssigkeiten sind Moleküle zufällig angeordnet, während sie in Kristallen in bestimmte Muster eingeteilt sind.

Wenn die Temperatur sinkt, beginnen sich die Moleküle so zu organisieren, dass sie immer weniger Energie verbrauchen. Somit nimmt die Entropie ab, wenn Wasser gefriert. Kolloidmoleküle mit flexiblen Bindungen können jedoch auch auf andere Weise miteinander verbunden werden, wobei es viel wahrscheinlicher ist, dass sie vier bis vier Gruppen bilden und dennoch eine ungeordnete Struktur bilden.

Das Ergebnis ist eine Flüssigkeit, die sich wie ein Feststoff verhält. Und während das alles am Computer gemacht wurde, beschreiben die Wissenschaftler Frank Smallenburg von der Sapienza-Universität in Rom echte Systeme und nennen einige Polymere und sogar DNA als Moleküle, die das können. Der nächste Forschungsschritt wird das Experimentieren mit realen Materialien sein.