Equilibrium gigahertz acoustics reveals long-range confinement in liquids
本文介绍了一种非侵入性的全光学吉赫兹超声技术，该技术揭示了在纳米级间隙中受限的液体（如甘油、8CB和离子液体）中，存在着意想不到的远距离界面限制效应，例如声学硬化和类固体行为。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，试图理解一群人在被挤进一个狭小的电梯与在公园里自由行走时，其行为表现有何不同。在开阔的公园里，每个人都独立移动，偶尔会发生碰撞，但大多是流动着的。但在电梯里，墙壁改变了一切；人们可能会排成整齐的行，紧贴着门，或者作为一个单一、僵硬的整体移动，而不是像流动的群体那样。这就是物理学中“纳米限域”（nanoconfinement）的世界。当液体被困在极小的间隙中——以纳米（十亿分之一米）为单位进行测量——周围的固体壁就开始决定液体的运动方式。科学家们早就知道液体在这些微小空间中的表现不同，但如何在不刺探、不探测或不挤压它们的情况下测量它们是如何运动的，一直是一个噩梦。旧的大多数方法就像是用网去测量游鱼的速度一样；它们干扰了它们试图研究的对象。这篇论文深入探讨了一种全新的、超快速的方法，可以在不接触这些受限液体的情况下“倾听”它们，揭示了在比预期长得多的距离内，它们可以变成某种令人惊讶的类固体物质。
研究人员 Ievgeniia Chaban 和 Thomas Pezeril 使用了一个涉及光与声的巧妙技巧，来窥视这些微观间隙内部。他们没有使用机械探头，而是使用了一种“激光超声”（laser ultrasonic）技术。可以这样想：他们用一束超快速的激光脉冲敲击了一个微小的、隐形的鼓（硅芯片上的一层薄铬）。这次敲击产生了一个声波——一个压力脉冲——它穿过被困在芯片和玻璃透镜之间的液体。因为这次敲击非常迅速，声波以吉赫兹（GHz）的频率振动，即每秒数十亿次，这比扬声器的嗡嗡声或发动机的轰鸣声要快得多。第二束激光脉冲充当了一个高速摄像机，观察这个声波如何穿过另一侧的玻璃透镜并发生反弹。通过分析这些声波的时序和强度，团队可以确定液体在特定时刻是多么坚硬或柔软。
他们测试了三种不同的液体：甘油（护手霜中的粘稠物质）、一种用于某些屏幕的液晶 8CB，以及一种特殊的“离子液体”。随着他们以亚纳米级的精度逐步缓慢地挤压液层，他们观察到了变化。他们的发现令人惊讶。他们发现，这些液体不仅仅是在接触玻璃的边缘处表现异常；它们在相当长的一段距离内都表现异常。对于甘油，液体在距离表面高达 40 纳米的地方就开始表现得像固体、坚硬的材料。对于离子液体，这种“类固体”行为延伸得更远，达到了约 80 纳米，而对于液晶，则达到了 70 纳米。
作者认为，这是因为在这些极高的速度（GHz 频率）下，液体中的分子没有足够的时间像往常一样放松和流动。当它们也被挤压在墙壁附近时，它们会被“卡住”在原地，形成一个表现得更像固体而非液体的结合层。这不仅仅是紧贴表面的微小效应；这是一种长程现象，会在数十纳米的范围内改变液体的机械性质。论文明确排除了这种现象是由激光加热液体或损坏液体引起的观点；测量过程是可逆的，且温度上升微乎其微。相反，数据指向了液体在受限时对应力反应的真实变化。通过使用这种非侵入性的全光学方法，该团队为理解液体在极小空间中的行为开启了一扇新的窗口，表明在特定条件下，液体可以稳住阵脚，即使远离困住它的墙壁，也能表现出惊人的刚性。
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