science >> Wetenschap >  >> Chemie

Onderzoekers rapporteren nieuwe toestand van materie beschreven als vloeibaar glas

De positie en oriëntatie van ellipsoïde deeltjes in clusters van een vloeibaar glas. Credit:onderzoeksgroepen van professor Andreas Zumbusch en professor Matthias Fuchs

Ontdekking van vloeibaar glas werpt licht op het oude wetenschappelijke probleem van de glasovergang:een interdisciplinair team van onderzoekers van de Universiteit van Konstanz heeft een nieuwe staat van materie ontdekt, vloeibaar glas, met voorheen onbekende structurele elementen - nieuwe inzichten in de aard van glas en zijn overgangen.

Hoewel glas een werkelijk alomtegenwoordig materiaal is dat we dagelijks gebruiken, het vertegenwoordigt ook een belangrijk wetenschappelijk raadsel. In tegenstelling tot wat men zou verwachten, de ware aard van glas blijft een mysterie, met wetenschappelijk onderzoek naar de chemische en fysische eigenschappen ervan nog aan de gang. Bij scheikunde en natuurkunde de term glas zelf is een veranderlijk concept:het omvat de stof die we kennen als vensterglas, maar het kan ook verwijzen naar een reeks andere materialen met eigenschappen die kunnen worden verklaard door te verwijzen naar glasachtig gedrag, inclusief, bijvoorbeeld, metalen, kunststoffen, eiwitten, en zelfs biologische cellen.

Hoewel het de indruk kan wekken, glas is allesbehalve conventioneel solide. Typisch, wanneer een materiaal overgaat van een vloeistof naar een vaste toestand, vormen de moleculen een lijn om een ​​kristalpatroon te vormen. van glas, dit gebeurt niet. In plaats daarvan, de moleculen worden effectief op hun plaats bevroren voordat kristallisatie plaatsvindt. Deze vreemde en ongeordende toestand is kenmerkend voor brillen in verschillende systemen en wetenschappers proberen nog steeds te begrijpen hoe deze metastabiele toestand precies ontstaat.

Een nieuwe staat van materie:vloeibaar glas

Onderzoek onder leiding van professoren Andreas Zumbusch (Departement Scheikunde) en Matthias Fuchs (Departement Natuurkunde), beide gevestigd aan de Universiteit van Konstanz, heeft zojuist een nieuwe laag complexiteit toegevoegd aan het glazen raadsel. Met behulp van een modelsysteem met suspensies van op maat gemaakte ellipsoïdale colloïden, de onderzoekers ontdekten een nieuwe staat van materie, vloeibaar glas, waar individuele deeltjes kunnen bewegen maar niet kunnen roteren - complex gedrag dat nog niet eerder is waargenomen in bulkglazen. De resultaten worden gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Colloïdale suspensies zijn mengsels of vloeistoffen die vaste deeltjes bevatten die, met afmetingen van een micrometer (een miljoenste van een meter) of meer, zijn groter dan atomen of moleculen en daarom zeer geschikt voor onderzoek met optische microscopie. Ze zijn populair onder wetenschappers die glasovergangen bestuderen omdat ze veel van de verschijnselen vertonen die ook voorkomen in andere glasvormende materialen.

Op maat gemaakte ellipsoïdale colloïden

Daten, de meeste experimenten met colloïdale suspensies zijn gebaseerd op sferische colloïden. De meeste natuurlijke en technische systemen, echter, zijn samengesteld uit niet-bolvormige deeltjes. Met behulp van polymeerchemie, het team onder leiding van Andreas Zumbusch vervaardigde kleine plastic deeltjes, door ze uit te rekken en af ​​te koelen totdat ze hun ellipsoïde vorm hadden bereikt en ze vervolgens in een geschikt oplosmiddel te plaatsen. "Vanwege hun verschillende vormen hebben onze deeltjes een oriëntatie - in tegenstelling tot bolvormige deeltjes - wat aanleiding geeft tot geheel nieuwe en voorheen onbestudeerde soorten complex gedrag, " legt Zumbusch uit, die hoogleraar fysische chemie is en senior auteur van het onderzoek.

De onderzoekers veranderden vervolgens de deeltjesconcentraties in de suspensies, en volgde zowel de translatie- als rotatiebeweging van de deeltjes met behulp van confocale microscopie. Zumbusch zegt, "Bij bepaalde deeltjesdichtheden bevroor de oriëntatiebeweging terwijl de translatiebeweging aanhield, wat resulteert in glasachtige toestanden waarin de deeltjes zich clusteren om lokale structuren met een vergelijkbare oriëntatie te vormen. "Wat de onderzoekers vloeibaar glas hebben genoemd, is het resultaat van het feit dat deze clusters elkaar wederzijds belemmeren en karakteristieke ruimtelijke correlaties op lange afstand bemiddelen. Deze voorkomen de vorming van een vloeistof kristal dat de wereldwijd geordende toestand van materie zou zijn die wordt verwacht van de thermodynamica.

Twee concurrerende glasovergangen

Wat de onderzoekers observeerden, waren in feite twee concurrerende glasovergangen - een reguliere fasetransformatie en een niet-evenwichtsfasetransformatie - die met elkaar in wisselwerking stonden. "Dit is ongelooflijk interessant vanuit een theoretisch gezichtspunt, " zegt Matthias Fuchs, professor in de theorie van zachte gecondenseerde materie aan de Universiteit van Konstanz en de andere senior auteur op het papier. "Onze experimenten leveren het soort bewijs voor de wisselwerking tussen kritieke fluctuaties en glazige arrestatie waar de wetenschappelijke gemeenschap al geruime tijd naar op zoek is." Een voorspelling van vloeibaar glas was twintig jaar lang een theoretisch vermoeden gebleven.

De resultaten suggereren verder dat vergelijkbare dynamiek aan het werk kan zijn in andere glasvormende systemen en dus kan helpen om licht te werpen op het gedrag van complexe systemen en moleculen, variërend van de zeer kleine (biologische) tot de zeer grote (kosmologische). Het heeft mogelijk ook gevolgen voor de ontwikkeling van vloeibaar-kristallijne apparaten.