Het potentieel van een röntgenspectroscopietechniek om licht te werpen op de mysterieuze verschijnselen die optreden wanneer een vloeistof een glasachtige toestand nadert, is aangetoond door vier RIKEN-natuurkundigen.

bij koeling, veel vloeistoffen ondergaan een scherpe verandering op hun vriespunt, breken in kristallijne vaste stoffen. Het bekendste voorbeeld is water, met een vriespunt van 0 graden Celsius.

In tegenstelling tot, veel vloeibare polymeren en andere materialen ondergaan een sierlijkere overgang die bekend staat als de glasovergang. De vaste stoffen die ze vormen hebben structuren die dichter bij de willekeurige volgorde van een vloeistof liggen dan de geordende structuur van kristallijne vaste stoffen zoals ijs en metalen. Glas is een klassiek voorbeeld:het is een vaste stof bij kamertemperatuur, maar de moleculen zijn ongeordend gerangschikt.

Er zijn veel onbeantwoorde vragen over de glasovergang. "Het fenomeen glasovergang is een van de grootste mysteries van de fysica van zachte materie, " merkt Taiki Hoshino van het RIKEN SPring-8 Center op. "Sommige wetenschappers vragen zich zelfs af of de glasovergang echt een overgang is of dat het er gewoon zo uitziet."

Een sleutel die kan helpen de mysteries over de glasovergang te ontrafelen, is het concept van dynamische heterogeniteit:fluctuaties in ruimte en tijd in het lokale dynamische gedrag van moleculen. "Veel onderzoekers geloven dat de glasovergang kan worden verklaard in termen van dynamische heterogeniteit, ', zegt Hoshino.

Nutsvoorzieningen, Hoshino en drie collega's van het RIKEN SPring-8 Center hebben synchrotron-gegenereerde röntgenstralen gebruikt om dynamische heterogeniteit te meten in een vloeibaar polymeer nabij de glasovergangstemperatuur.

Tijdens de metingen, het polymeer werd tussen een stationaire cilindrische staaf en een bewegend substraat geperst. Vloeistof dichter bij het substraat bewoog sneller dan vloeistof nabij de staaf, resulterend in een snelheidsgradiënt over de vloeistof. Het team ontdekte dat de dynamische heterogeniteit afnam naarmate de snelheidsgradiënt toenam. Dit bevestigde de voorspellingen van een moleculaire dynamica-simulatie die meer dan 20 jaar geleden werd gepubliceerd.

De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd röntgenfotoncorrelatiespectroscopie (XPCS). Omdat de lichtgolven waaruit een laserstraal bestaat allemaal synchroon pieken en dalen, laserlicht dat door een object wordt verstrooid, genereert een spikkelpatroon op een scherm. XPCS gebruikt het spikkelpatroon dat door röntgenstralen wordt gegenereerd om informatie over een monster te verkrijgen. "Als de verstrooiers in het monster bewegen, het verstrooiingspatroon verandert, " legt Hoshino uit. "Deze fluctuaties onthullen informatie over de beweging van de verstrooiers."

Hoshino merkt op dat XPCS niet zo populair is geworden onder natuurkundigen van zachte materie als andere technieken, maar hij hoopt dat deze studie anderen zal overtuigen van het potentieel ervan. "Onze resultaten laten zien dat XPCS een krachtige techniek is voor het bestuderen van glasovergang, " hij zegt.