Highly Stable Glasses of cis-Decalin and cis/trans-Decalin Mixtures
本研究报告了首次成功利用顺式癸二烯以及顺式/反式癸二烯混合物制备出高度稳定的气相沉积玻璃，证明了这些分子混合物（特别是 50/50 的组分）表现出卓越的动力学稳定性以及可比拟或甚至超过纯分子超稳定玻璃的低热容。
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
玻璃是一种难以进行简单分类的材料。它是一种缺乏晶体那样有序、重复结构的固体，但它也不像液体那样流动。相反，它是无序状态的一个冻结快照，其中分子被锁定在原地，却保留了流体的混沌排列。这种无序并非缺陷，而是一种特性，允许科学家通过改变成分来调节玻璃的性质。然而，玻璃的制造方式与它的成分同样重要。从液体快速冷却而成的玻璃通常比缓慢冷却的玻璃更不稳定，且含有更多能量。几十年来，研究人员一直知道，如果将液体冷却得非常缓慢，或者让其静置老化很长时间，分子就有更多时间找到一种紧凑、高效的堆积排列方式，从而产生密度更高、更稳定的玻璃。
最近，科学家们发现了一个通往这种理想状态的捷径。通过将分子一个接一个地从蒸汽沉积到冷表面上，他们可以逐层构建玻璃层。随着每个新分子的落下，它坐落在一个仍具有流动性的表面上，这使得它在被下一层覆盖之前，能够通过微小的晃动并寻找到一个完美的落点。这个过程创造了被称为“超稳定玻璃”的材料。这些材料的堆积如此紧密，以至于它们的表现就像是被冷却了数千年一样，然而它们的形成仅用了几分钟。直到现在，这种现象仅在纯物质中被观察到。一个大问题是，这种技巧是否也能适用于由不同分子组成的混合物，以及它是否能应用于那些极难转化为玻璃的材料。
来自威斯康星大学麦迪逊分校和罗斯托克大学的一个研究小组，决定使用一种名为右旋癸烷（decalin）的物质来回答这些问题。右旋癸烷有两种形状，称为异构体：顺式癸烷（cis-decalin）和反式癸烷（trans-decalin）。研究人员想要观察他们是否能利用纯顺式癸宛、纯反式癸烷以及两者的各种混合物来制造超稳定玻璃。他们使用了一种名为纳米量热仪（nanocalorimeter）的专业仪器，该仪器极其灵敏，足以测量仅几百纳米厚的薄膜的热容。通过将蒸汽沉积到保持特定温度的表面上，然后仔细加热薄膜，他们可以观察玻璃如何转化回液体。
结果令人震惊。该团队成功地利用顺式癸烷以及包含顺式和反式形式的混合物制造出了超稳定玻璃。他们发现，通过在约为玻璃转变点85%的温度下沉积材料，他们可以生产出一种比单纯由液体冷却而成的玻璃显著更稳定的薄膜。对于这两种形状的50/50混合物，生成的玻璃极其稳定，使其转化回流体所需的时间相当于其自然弛豫时间的约25,000倍。在实际操作中，这意味着该玻璃对变化具有极强的抵抗力。这些新玻璃的热容也低于普通玻璃，表明分子的堆积更加紧密和高效。
或许最令人惊讶的发现是，这种方法对两种不同分子的混合物也有效。这是首次从混合物质中形成如此稳定的玻璃。研究人员测试了含有不同比例两种癸烷形状的混合物（从四分之一的一种到四分之三的另一种），发现各类混合物均形成了稳定玻璃。这表明，创造这些高性能材料的能力并不局限于单一的纯化学物质。它为通过简单调整配方来设计具有特定属性的玻璃打开了大门。研究还表明，即使是像纯反式癸烷这样极差的造玻璃剂，如果与另一种形式混合，只要混合物中含有足够的协作伙伴，也可以被纳入稳定玻璃之中。
然而，并非每一次尝试都取得了成功。研究人员尝试用纯反式癸烷制造稳定玻璃，但材料在进入玻璃态之前就结晶了。这一失败凸显了虽然该方法功能强大，但并非万能；某些材料在这些条件下就是无法保持无序状态。此外，研究表明，玻璃的稳定性在很大程度上取决于沉积过程中的表面温度。如果表面过热，分子就无法紧密堆积；如果表面过冷，它们会在找到最佳排列之前就冻结在原地。研究人员发现了一个“甜点区”，即一个狭窄的温度范围，在此范围内，分子拥有恰到好处的流动性来完美地安顿下来。
这些发现挑战了超稳定玻璃是仅限于特定简单分子的稀有奇观这一观点。这项工作证明，这种现象具有足够的鲁棒性，能够处理混合物，甚至是那些通常难以成玻璃的脆弱材料。研究人员还排除了这些稳定特性是由玻璃内部形成的微小隐藏晶体引起的可能性。如果情况确实如此，由两种不同分子组成的混合物不太可能形成如此均匀、稳定的结构。相反，证据指向了一种真正的非晶态，即分子仅仅是以非凡的效率进行堆积。
这项工作的意义超出了实验室范围。稳定玻璃在有机电子和制药领域具有潜在用途，在这些领域，材料的稳定性对于性能和保质期至关重要。例如，许多药物以非晶态混合物的形式销售，以改善其在体内的溶解度，但这些混合物可能不稳定，容易随时间发生结晶。通过了解如何在沉积过程中控制分子的堆积，科学家们或许能够设计出更强、更稳定且更适合先进技术的材料。这项研究证实，支配这些材料的规则比此前认为的更加灵活，为材料科学提供了一个全新的工具箱。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。