Niet alles over glas is duidelijk. Hoe de atomen zijn gerangschikt en zich gedragen, vooral, is verrassend ondoorzichtig.

Het probleem is dat glas een amorfe vaste stof is, een klasse van materialen die ligt in het mysterieuze rijk tussen vast en vloeibaar. Glasachtige materialen omvatten ook polymeren, of veelgebruikte kunststoffen. Hoewel het misschien stabiel en statisch lijkt, glazen atomen schuifelen constant in een frustrerend vergeefse zoektocht naar evenwicht. Dit grillige gedrag heeft de fysica van glas bijna onmogelijk gemaakt voor onderzoekers om vast te pinnen.

Nu een multi-institutioneel team, waaronder de Northwestern University, North Dakota State University en het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een algoritme ontworpen met als doel polymeerglazen wat meer duidelijkheid te geven. Het algoritme maakt het voor onderzoekers mogelijk om grofkorrelige modellen te maken om materialen met dynamische eigenschappen te ontwerpen en hun voortdurend veranderende gedrag te voorspellen. Het "energie-renormalisatie-algoritme" genoemd, " het is de eerste die nauwkeurig het mechanische gedrag van glas bij verschillende temperaturen voorspelt en kan resulteren in de snelle ontdekking van nieuwe materialen, ontworpen met optimale eigenschappen.

"Het huidige proces van materiaalontdekking kan tientallen jaren duren, " zei Sinan Keten van Northwestern, die het onderzoek mede leidde. "Onze aanpak schaalt moleculaire simulaties met ongeveer duizend keer op, zodat we materialen sneller kunnen ontwerpen en hun gedrag kunnen onderzoeken."

"Hoewel glazige materialen overal om ons heen zijn, wetenschappers worstelen nog steeds om hun eigenschappen te begrijpen, zoals hun vloeibaarheid en diffusie als temperatuur of samenstelling variëren, " zei Jack F. Douglas, een NIST-onderzoeker, die samen met Keten het werk leidde. "Dit gebrek aan begrip is een ernstige beperking in het rationele ontwerp van nieuwe materialen."

De studie die onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang . Wenjie Xia, een assistent-professor civiele en milieutechniek aan de North Dakota State University, was de eerste auteur van het papier.

Het vreemde gedrag van glas komt voort uit de manier waarop het is gemaakt. Het begint als een hete plas gesmolten materiaal die vervolgens snel wordt afgekoeld. Hoewel het uiteindelijke materiaal in gekoelde toestand evenwicht wil bereiken, het is zeer gevoelig voor veranderende temperaturen. Als het materiaal wordt verwarmd, de mechanische eigenschappen ervan kunnen drastisch veranderen. Dit maakt het voor onderzoekers moeilijk om de mechanische eigenschappen efficiënt te voorspellen met behulp van bestaande moleculaire simulatietechnieken.

"Zo simpel als glas eruitziet, het is een heel vreemd materiaal, " zei Keten, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en civiele en milieutechniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. "Het is amorf en heeft geen evenwichtsstructuur, dus het evolueert voortdurend door langzame bewegingen van zijn moleculen. En dan is er veel variatie in hoe het evolueert, afhankelijk van de temperatuur en moleculaire kenmerken van elk glasachtig materiaal. Deze processen duren erg lang om te berekenen in moleculaire simulaties. Het versnellen van berekeningen is alleen mogelijk als we de posities van de moleculen kunnen in kaart brengen in eenvoudiger structurele modellen."

De structuur van glas staat in schril contrast met een kristallijne vaste stof, waarin atomen geordend zijn gerangschikt, voorspelbare en symmetrische manier. "Het is gemakkelijk om atomen in kristallijne materialen in kaart te brengen omdat ze een herhalende structuur hebben, " legde Keten uit. "Terwijl in een amorf materiaal, het is moeilijk om de structuur in kaart te brengen vanwege het gebrek aan orde op lange termijn."

"Vanwege de amorfe en ongeordende aard van glas, de eigenschappen ervan kunnen aanzienlijk variëren met de temperatuur, het voorspellen van zijn fysieke gedrag extreem moeilijk maken, " voegde Xia eraan toe. "Nu, we hebben een nieuwe manier gevonden om dit probleem op te lossen."

Om deze uitdaging aan te gaan, Keten, Douglas, Xia en hun medewerkers hebben hun algoritme ontworpen om rekening te houden met de vele manieren waarop glasmoleculen zouden bewegen of niet, afhankelijk van variërende temperaturen in de loop van de tijd. Het berekenen van de positie van elk atoom in glas zou uiterst traag en vervelend zijn - zelfs voor een krachtig algoritme - om te berekenen. Dus Keten en zijn medewerkers gebruikten "grofkorrelige modellering, " een vereenvoudigde benadering die kijkt naar clusters van atomen in plaats van enkele atomen. Hun nieuwe methodologie creëert efficiënt parameters voor de interacties tussen deze grovere deeltjes, zodat het model de dramatische vertraging in moleculaire beweging kan vastleggen als het glasachtige materiaal afkoelt.

"We kunnen geen atoom-voor-atoom-simulatie doen voor zelfs glasfilms van nanoschaaldikte, want zelfs dat zou te groot zijn, ' zei Keten. 'Dat zijn nog steeds miljoenen moleculen. De grofkorrelige modellen stellen ons in staat om grotere systemen te bestuderen die vergelijkbaar zijn met experimenten in het laboratorium."

Tot dusver, Keten en zijn team hebben hun algoritme vergeleken met drie al goed gekarakteriseerde en zeer verschillende soorten polymere glasvormende vloeistoffen. In ieder geval, het algoritme voorspelt nauwkeurig de bekende dynamische eigenschappen over een groot temperatuurbereik.

"Het uitleggen van de fysica van een bril is een van de grootste problemen die wetenschappers niet hebben kunnen oplossen, "Zei Keten. "We komen steeds dichter bij het begrijpen van hun gedrag en het oplossen van het mysterie."