Tenzij je toevallig een materiaalwetenschapper bent, wat de meesten van ons uiteindelijk niet zijn, de term 'bril' doet waarschijnlijk denken aan zaken als ruiten, drinkglazen of bril. Bijna niemand zal aan metalen denken. Maar metalen glazen, of 'amorfe metalen' zoals ze ook wel worden genoemd, spelen een steeds belangrijkere rol in zowel wetenschappelijk onderzoek als technologie.

Wanneer metaalsmelten zo snel worden afgekoeld dat ze binnen een fractie van een seconde stollen, ze blijven chaotisch en ongeordend op atomair niveau. Als ze langzaam waren afgekoeld, de atomen zouden tijd hebben gehad om te herschikken en een geordende kristalroosterstructuur te vormen, maar zeer snelle afkoeling betekent dat de atomen in de ongeordende vloeibare smelt niet voldoende tijd hebben om te herschikken en in wezen op hun plaats bevroren zijn. Deze atomaire wanorde verleent aan deze 'niet-evenwichtige' metalen glaseigenschappen die heel anders zijn dan die van de geordende kristallijne legering die zou ontstaan ​​wanneer dezelfde bestanddelen een meer conventionele, langzamere afkoeling ondergaan. Metalen glazen kunnen zo sterk zijn als staal, terwijl ze de elasticiteit van een polymeer hebben.

De meeste materialen in het universum zijn amorf, wat betekent dat ze chaotisch en ongeorganiseerd zijn en de langeafstandsvolgorde missen die wordt gevonden in kristallijne vaste stoffen. zelfs water, die in zijn bevroren toestand hier op aarde een regelmatige kristalstructuur heeft, glazig of amorf is in het wijdere heelal, zoals het water dat in kometen wordt aangetroffen bij temperaturen onder -150 °C. Vanuit een wetenschappelijk perspectief, de overgang van de vloeibare toestand naar de amorfe vaste toestand is van fundamenteel belang.

"Wat er precies aan de hand is tijdens verglazing is nog niet echt goed begrepen, " zegt Isabella Gallino. Samenwerken met collega's uit Spanje (Dr. Daniele Cangialosi, Dr. Xavier Monnier), Frankrijk (Dr. Beatrice Ruta) en Duitsland (Professor Ralf Busch, ook van de Universiteit van Saarland), Dr. Gallino heeft in ongekend detail bestudeerd wat er op atomair niveau gebeurt wanneer een metastabiele vloeibare legering verglaasd om een ​​vast glas te vormen.

Met behulp van extreem heldere en coherente röntgenstralen die zijn gegenereerd in de European Synchrotron Research Facility in Grenoble, Gallino en haar collega's bestudeerden de atomaire herschikkingen die plaatsvonden in een speciale goudlegering terwijl deze werd afgekoeld van ongeveer 150 °C (vloeibare toestand) tot ongeveer 115 °C (bevroren, glazige toestand). Met behulp van deze techniek, het onderzoeksteam kon observeren hoe de beweging van de atomen afnam naarmate het materiaal bevroor. Het invriesproces zelf werd ook bestudeerd met behulp van een nieuwe flash-calorimeter - een snelle scanning-calorimeter waarmee extreem hoge verwarmings- en afkoelsnelheden kunnen worden bereikt. Eerder, niemand had met deze precisie kunnen observeren wat er in het verglazingsbereik gebeurde.

"Tot nu toe, niemand was erin geslaagd deze waarnemingen te doen over zo'n breed scala aan verwarmings- en koelsnelheden, " legt Isabella Gallino uit, die momenteel aan haar Habilitation werkt, een geavanceerde onderzoeksgraad die de houder het recht geeft om op hoogleraarsniveau in Duitsland les te geven. Tien jaar geleden, dergelijke studies waren om technische redenen eenvoudigweg niet uitvoerbaar. In die tijd, wetenschappers hadden niet de mogelijkheid om deze materialen te onderwerpen aan extreem heldere synchrotron-röntgenstralen, evenmin hadden ze toegang tot de snelle scanning calorimeters waarmee faseovergangen en andere transformaties kunnen worden geregistreerd bij temperaturen tot 100, 000 graden per seconde. Vandaag, beide opties zijn beschikbaar en Isabella Gallino en haar collega's hebben er goed gebruik van gemaakt.

In hun onderzoekspaper gepubliceerd in het gerespecteerde, peer-reviewed tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , het team toonde aan dat hun resultaten een eerder geaccepteerd paradigma van materiaalwetenschappelijk onderzoek uitdaagden. "Tot nu toe, conventionele wijsheid was van mening dat de snelheid waarmee de vloeistof bevriest hetzelfde is als de zogenaamde alfa-ontspanningssnelheid, d.w.z. de snelheid waarmee de primaire mobiliteit van de atomen afneemt naarmate de temperatuur wordt verlaagd, " legt Dr. Gallino uit. "Maar deze één-op-één correlatie is niet wat we daadwerkelijk waarnemen."

"Dat komt omdat de smelt atomen van verschillende soorten en van zeer verschillende groottes bevat. Wanneer de grote atomen, zoals goud, reeds bevroren zijn en in wezen onbeweeglijk zijn, de kleinere atomen, zoals silicium, kunnen nog steeds rondlopen en zichzelf "joggen" in hun energetisch voorkeursposities, " zegt Isabella Gallino. Vanwege deze collectieve stroom van de kleinere atomen, er is nog steeds wereldwijde mobiliteit binnen het materiaal, die zich blijft gedragen als een vloeistof. Pas als de kleinere atomen uiteindelijk bevriezen, dat de vloeistof volledig stolt tot een glas.

Deze fundamentele nieuwe bevinding van Isabella Gallino en haar onderzoekscollega's heeft implicaties voor het wereldwijde onderzoek naar amorfe metalen en andere glasvormende materialen zoals polymeren en ionische vloeistoffen. Een beter begrip van het verglazingsproces zal niet alleen de creatie van nieuwe gespecialiseerde materialen in de toekomst vergemakkelijken, maar zal ons meer inzicht geven in het gedrag van bestaande amorfe materialen.