Een glas is een merkwaardig materiaal tussen vloeibare en vaste toestanden van materie, maar uiteindelijk geeft glas altijd toe aan zijn vaste neiging door zich te nestelen in de geordende patronen van een kristal. Of zo werd gedacht.

Onderzoekers van Princeton University hebben een rekenmodel ontwikkeld voor het creëren van een "perfect glas" dat nooit kristalliseert, zelfs niet bij het absolute nulpunt. Gepubliceerd in Natuurwetenschappelijke rapporten , het model is een nieuwe manier van denken over glas en geeft details over de uiterst ongebruikelijke eigenschappen van een perfect glas.

"We weten dat als je iets koud genoeg maakt, het zal kristalliseren, maar dit is een extreem exotische situatie waarin je dat volledig vermijdt, " zei corresponderende auteur Salvatore Torquato, een Princeton hoogleraar scheikunde en het Princeton Institute for the Science and Technology of Materials.

Wetenschappers die glas onderzoeken, staan ​​al meer dan een eeuw voor een raadsel. De weerbarstige configuratie van zijn moleculen suggereert dat het zou moeten stromen als een vloeistof, maar toch is het zo stijf en onbuigzaam als een vaste stof. De glasovergang, of de temperatuur wanneer gekoelde vloeistoffen in een glas veranderen, is een ander mysterie. Terwijl de overgang van vloeibaar naar vast extreem scherp is, bij 0 graden Celsius in water bijvoorbeeld, glas kan zich vormen over een reeks temperaturen en alleen als de vloeistoffen snel genoeg zijn afgekoeld om kristallisatie te voorkomen.

Bij het ontwikkelen van hun model, de onderzoekers wilden bepalen of er een glas zou kunnen bestaan ​​dat kristallisatie voor altijd zou kunnen vermijden. "Ons model is een out-of-the-box mogelijkheid, ' zei Torquato.

Het model komt voort uit twee gebieden in Torquato's onderzoeksgroep die zeer geschikt waren voor een perfect glasmodel. Het lab richt zich op exotische hyperuniforme toestanden van materie, materialen waarvoor atomen plaatselijk ongeordend lijken, maar wereldwijd een orde op lange termijn vertonen die in verschillende contexten opduikt, inclusief het oog van een kip. De andere is maximaal willekeurig vastgelopen verpakking, een manier om deeltjes in een systeem zo te rangschikken dat het een zeer hoge mate van wanorde heeft en de deeltjes aan elkaar vast komen te zitten, voor altijd bevroren in de ruimte.

In het perfect-glazen model zijn "kristallen verbannen, "Zei Torquato. "Ze zouden zich nooit kunnen vormen door de interacties tussen de deeltjes te ontwerpen."

Om deze perfecte bril te vinden, het model van de onderzoekers beschouwde 2-, 3-, en 4-lichamen interacties, die verwijzen naar de interacties tussen het aantal deeltjes, terwijl eerdere modellen alleen interacties tussen twee lichamen beschouwden, of interacties tussen paren deeltjes. Terwijl 2-, 3-, en 4-lichaamsinteracties zijn ingewikkelder en moeten nog in de natuur worden gezien, Door uit te breiden naar deze interacties konden de onderzoekers kristallisatie onderdrukken waar anderen hadden gefaald.

Naast het bepalende vermogen om kristallisatie te weerstaan, een perfect glas is doordrenkt met nul samendrukbaarheid, wat betekent dat het ongevoelig is voor invloeden van buitenaf en ook een uitstekend medium voor het verspreiden van geluid. In feite, geluid zou met de snelheid van het licht door een perfect glas kunnen reizen, zei Ge Zhang, een afgestudeerde student in het Torquato-lab en hoofdauteur van het onderzoek.

Het model biedt ook een oplossing voor een paradox die onderzoekers al tientallen jaren verbijstert en voor het eerst werd gedefinieerd in Princeton in 1948 door wijlen scheikundeprofessor Walter Kauzmann. De Kauzmann-paradox beschouwde de "entropiecrisis" die wordt veroorzaakt door het onderkoelen van een glasvormende vloeistof boven een bepaalde temperatuur.

Entropie is een maat voor wanorde, wat betekent dat een vrij stromende vloeistof meer wanorde heeft, en dus entropie, dan een sterk gestructureerd kristal. Maar als de vloeistof wordt afgekoeld, het entropieverschil tussen de vloeistof en het kristal begint af te nemen. Als die trend zich uitpakte bij voldoende lage temperaturen, Kauzmann bood aan, uiteindelijk zou er een temperatuur zijn die nu bekend staat als de Kauzmann-temperatuur waarboven de entropie, of wanorde, van het kristal groter wordt dan die van de onderkoelde vloeistof - een paradoxale situatie.

Het model van perfect glas, echter, omzeilt deze paradox volledig. Omdat het glas niet kan kristalliseren, er is geen kristallijne entropie waarmee de vloeibare entropie kan worden vergeleken, en dus geen risico lopen in de entropiecrisis.

Normand Mousseau, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Montreal, zei dat de Princeton-onderzoekers een atypische benadering hanteerden om een ​​oude vraag te beantwoorden:"Bij lage temperaturen, kan de meest stabiele structuur iets zijn dat een glas is? Kan dat in het universum bestaan?" Hoewel hun model die vragen niet volledig beantwoordt, het geeft wel meer informatie, zei Mousseau, die bekend is met het onderzoek maar er geen rol in had. "Een nieuwe manier om naar dit probleem te kijken, helpt ons duidelijk vooruit, " hij zei.

Voor nu, het perfect-glasmodel is een theoretische proof of concept, hoewel een intrigerende die het huidige begrip van glas tart. De werkelijke creatie ervan is nog ver weg, hoewel Torquato suggereert dat polymeersystemen een goede plek kunnen zijn om te kijken. Ondertussen, hij zei, er is nog veel te leren over de theorie van de perfecte bril.