Onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben een nieuw fysiek model geïntroduceerd dat de dynamiek van glasachtige materialen voorspelt, uitsluitend op basis van hun lokale mate van atomaire structurele orde. Met behulp van computersimulaties, ze lieten zien hoe deze theorie het begrip aanzienlijk verbetert van hoe glasachtige vloeistoffen viskeuzer worden bij koeling. Dit werk heeft veel potentiële toepassingen in de productie, speciaal voor de productie van speciaal glas in labware en elektronische touchscreen-apparaten.

Glas wordt al sinds de oudheid door de mensheid geproduceerd. Echter, de fysica die de beweging van de atomen in glasachtige materialen regelt, is ongelooflijk complex en wordt nog steeds niet volledig begrepen. In tegenstelling tot de meeste kristallijne vaste stoffen, waarin atomen zich grofweg rangschikken in grote herhalende roosters, glazen zijn gemaakt van configuraties van atomen die geen langeafstandsordening vertonen. Zoals iedereen die een glasblazer heeft gezien weet, bij hoge temperaturen, glas stroomt als een vloeistof. Dit betekent dat de atomen binnenin voldoende beweeglijkheid hebben om langs elkaar heen te schuiven. Echter, als het materiaal afkoelt, het ervaart een "glasovergang" waarin de atomen langzamer en langzamer bewegen totdat ze opgesloten raken in een ongeordende "bevroren vloeibare" toestand. Dat is, ze zouden stabieler zijn geweest in een kristallijne configuratie, maar ze kunnen de barrière niet overwinnen om daar te komen. Experts beschrijven de dynamiek van het glas vaak als het gebruik van zijn "structurele relaxatietijd, " wat aangeeft hoe snel de atomen de stabiele toestand naderen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Universiteit van Tokio hebben computersimulaties gebruikt om de "structurele ordeparameter, " die alleen afhangt van de lokale configuratie van een atoom en zijn directe buren. Deze waarde geeft een maat voor de afwijking van de meest efficiënte pakking van de omringende atomen. Alleen gebaseerd op de structurele ordeparameter, de onderzoekers konden de structurele relaxatietijd voorspellen. "Omdat ontspanning blijkbaar wordt beïnvloed door veel fysieke factoren, we waren aangenaam verrast dat we het alleen konden beschrijven op basis van de structurele volgorde, ", zegt eerste auteur Hua Tong.

Door uitgebreide computersimulaties uit te voeren, ze waren in staat om de relatie tussen lokale ordening en algemene dynamiek te bevestigen. Dit is een uniek kenmerk van glas dat gewoonlijk niet wordt gezien in kristallijne vaste stoffen. "Ons onderzoek biedt een fysiek raamwerk om te begrijpen hoe de correlatie tussen locaties in omvang toeneemt, zodat de dynamiek op atomair niveau coöperatief begint te worden over een uitgebreid gebied, ", legt senior auteur Hajime Tanaka uit. De bevindingen van dit project kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe processen voor het vervaardigen van sterker en duurzamer glas. De bevindingen van dit project kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe processen voor het vervaardigen van sterker en duurzamer glas.

Het werk is gepubliceerd in Natuurcommunicatie als "Structurele orde als een echte regelparameter van dynamiek in eenvoudige glasvormers."