Materialen in een glazige staat zijn overal in ons leven en hebben jarenlang bijgedragen aan de mensheid. Vandaag, ze spelen een cruciale rol in verschillende technologieën, inclusief optische vezels. Hoewel we geloven dat glas zeer stabiel is, het kristalliseert soms, resulterend in verlies van transparantie en isotropie, essentiële kenmerken van glas, wat een groot probleem is geweest bij industriële toepassingen. De reden waarom kristallisatie plaatsvindt in een vaste toestand met bijna geen moleculaire beweging, is een groot mysterie geweest. Het begrip ervan kan helpen om kristalgroei bij diepe onderkoeling te voorkomen of te optimaliseren.

In een recent gepubliceerd onderzoek in Natuurmaterialen , onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen, De Universiteit van Tokio, Fudan-universiteit, Peking Universiteit, en samenwerkende instellingen hebben experimentele en computationele studies uitgevoerd naar snelle kristalgroei onder diepe onderkoeling. Hun werk biedt kritisch inzicht in het mechanisme van snelle kristalgroei bij ultralage temperaturen, bijdragen aan veel technologische toepassingen door de stabiliteit van glas te verbeteren of hoogwaardige kristallen te produceren.

"Kristalgroei in glazen is een complexe, decennia oud probleem. Hoe voorloperstructuren wanorde in de vloeibare fase overwinnen om in kristallen te rangschikken, blijft controversieel, " zegt Peng Tan, co-senior auteur.

Een sleutel tot snelle kristalgroei die door simulaties en experimenten wordt onthuld, is dat de vast-vloeistof-interfaces in de onderkoelde vloeistoffen dik en ruw zijn. Het grote contactgebied tussen geordende eilanden en de omringende ongeordende vloeistof helpt de wanorde te doorbreken en vergemakkelijkt een snelle kristalgroei.

"Een ander belangrijk resultaat is dat de wanordelijke toestand mechanisch inherent onstabiel is, wat leidt tot een domino-achtige kettingreactie van kristalgroei, " legt Hajime Tanaka uit, co-senior auteur. "Dit wordt mogelijk gemaakt door het vermogen van de nieuw gevormde, onvolmaakt geordende gebieden van het kristal om opnieuw te ordenen en zo accumulatie van wanorde te voorkomen."

Hoe kunnen onderzoekers deze kennis gebruiken? Men kan kristalgroei bevorderen door het vermogen van een onderkoelde vloeistof om voorloperstructuren te ontwikkelen en zichzelf te herschikken van sub-geoptimaliseerde ordening te verbeteren. Tanaka, Bruinen, Xu, en collega's zijn optimistisch dat onderzoekers deze inzichten zullen gebruiken om erachter te komen welke materialen de noodzakelijke eigenschappen hebben voor verbeterde glasstabiliteit of hoogwaardige kristalvorming. Met verdere ontwikkeling, er zijn duidelijke toepassingen voor ultrastabiele glazen en bijna perfecte kristallen.