Onderzoekers van de University of Pennsylvania hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om het oppervlak van verschillende soorten glas te bestuderen. Met behulp van deze techniek, ontdekten ze een verrassende eigenschap van de bovenste glaslaag, die de weg zouden kunnen effenen voor de ontwikkeling van betere glasmaterialen.

Het onderzoek werd geleid door Yue Zhang, een afgestudeerde student aan de afdeling Scheikunde van Penn's School of Arts &Sciences, en Zahra Fakhraai, assistent-professor scheikunde. Zhang ontving een APS Padden Award voor het onderzoek, die uitmuntendheid in polymeerfysica-onderzoek erkent.

Het onderscheid tussen kristallen en vloeistoffen is dat, terwijl kristallen geordend en solide zijn, vloeistoffen zijn ongeordend en kunnen zich verplaatsen om de container waarin ze zich bevinden te vullen. Maar als men een vloeistof voldoende zou koelen, het zou ongeordend blijven terwijl de beweging van zijn moleculen zo veel zou vertragen dat het solide zou lijken. Zo ontstaan ​​amorfe materialen zoals glazen.

Lieve schat, bijvoorbeeld, is een vloeistof, maar wanneer het wordt gekoeld, worden de eigenschappen meer als die van een vaste stof.

De Penn-onderzoekers onderzochten hoe interfaces of oppervlakken, de grenzen tussen twee fasen van materie, zou de eigenschappen van glazen aantasten. Volgens Fakhraai, wanneer een vrij oppervlak aan het materiaal wordt toegevoegd, de beweging versnelt weer, die zich in de film voortplant.

Ook al lijkt de honing vast, de moleculen in de top 5 of 10 nanometer zouden vloeibaar en in beweging blijven. Als er een naald op het oppervlak van de honing zou worden gezet, het zou dippen en een meniscus vormen, waardoor de moleculen kunnen bewegen, terwijl dezelfde naald geen effect zou hebben op een vaste stof.

In een eerder artikel gepubliceerd in Zachte materie , de onderzoekers verkleinden deze techniek tot nanometer-lengteschalen met een virus als naald en keken toe hoe de oppervlaktemoleculen binnenkwamen en langzaam probeerden een meniscus rond het virus te vormen. Terwijl de moleculen in het centrum van het materiaal miljoenen jaren nodig hebben om te bewegen, voor de moleculen bovenaan zou het meer een paar honderd seconden zijn.

"De techniek die we hebben ontwikkeld is echt opwindend omdat er in het veld niet veel technieken zijn om de oppervlaktebewegingen direct te onderzoeken, " zei Zhang. "Onze techniek is zeer efficiënt en wiskundig eenvoudig, en we kunnen het gemakkelijk uitbreiden naar andere systemen."

Een van de meest uitdagende aspecten van het ontwikkelen van de techniek, Fakhraai zei, bedacht dat ze virussen konden gebruiken om de materialen te onderzoeken.

"Een paar jaar hebben we geprobeerd nanostaafjes te synthetiseren die op naalden leken en lang en uniform genoeg waren, " zei ze. "Virussen zijn perfect omdat ze deze kristallijne structuren hebben die precies de juiste afmetingen hebben die we nodig hebben. Door aan het virus als nanodeeltje te denken, zijn we echt vooruit gegaan."

Met behulp van deze techniek, de onderzoekers wilden bepalen hoe de beweging van de moleculen op het vrije oppervlak gekoppeld is aan de beweging eronder. Vooral, ze wilden zien of de moleculen aan het oppervlak zouden worden beïnvloed als de beweging van de moleculen eronder zou worden versneld of vertraagd.

In een ander eerder artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers gebruikten verschillende depositietechnieken om de moleculen beter in te pakken en stabiele glazen te vormen. Dit maakte alles extreem traag tot het punt dat het langer zou duren dan de leeftijd van het universum voordat de moleculen in het centrum zouden bewegen.

In hun meest recente artikel, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , ze versnelden alles door dunnere films te maken, die meer een vrij oppervlak zou hebben.

"Gebaseerd op veel verschillende theorieën, we hadden verwacht dat de bewegingen in het midden en het vrije oppervlak aan elkaar zouden worden gekoppeld, " Fakhraai zei. "Het voorbeeld dat ik graag maak is als je vooraan in de parade staat en je beweegt sneller, dingen moeten je volgen. Maar zo gebeurt het niet. De directe bovenste laag koppelt niet echt:die moleculen kunnen bewegen zonder dat ze invloed hebben op wat er achter hen gebeurt."

deze resultaten, ze zei, waren verrassend. Hoewel er veel verschillende ideeën waren over de vraag of deze correlatie bestaat, niemand had het eerder echt gemeten. Ze vonden dat, het maakt niet uit wat voor soort beweging, de moleculen bovenaan en de moleculen in het midden hebben geen effect op elkaar.

De onderzoekers hopen de tweede en derde laag te kunnen onderzoeken, die van belang kunnen zijn in het verdichtingsproces van de materialen tijdens depositie, dat is de basis voor het maken van stabiele glazen en is van technologisch belang. Omdat de moleculen in de eerste laag niet worden beïnvloed door de beweging van de moleculen eronder, de beweging van de onderliggende lagen wordt daarbij cruciaal.

"We denken dat het echt de moleculen in de tweede laag en derde laag zijn die deelnemen aan dit verdichtingsproces, en de moleculen aan het vrije oppervlak zijn net een zee van vrije objecten die voor die mobiliteit kunnen zorgen maar niet noodzakelijkerwijs deelnemen aan het proces, ' zei Fakhraai.

Ze hopen ook de overgang van de snel bewegende deeltjes aan de oppervlakte naar de extreem langzaam bewegende moleculen in het centrum beter te begrijpen. Mensen die vooraan in een parade staan, kunnen vrij rondlopen, Fakhraai uitgelegd, maar hoe dieper je in de parade gaat, beweging wordt meer beperkt.

“De vraag is hoe diep het effect zit en hoe dat proces tot stand komt, " Fakhraai zei. "Hoe verander ik van iets dat 100 seconden duurt om te verhuizen naar iets dat miljarden jaren duurt? Ik denk dat dat de volgende grote uitdaging in het veld is:die gradiënt begrijpen."

Volgens Fakhraai, door dit proces te onderzoeken, kunnen onderzoekers niet alleen theorieën beter begrijpen, maar ook coatings op materialen verbeteren en betere amorfe materialen ontwerpen.

"We begrijpen wat de klok in het midden van de film zet, maar we weten niet wat de klok zet voor die oppervlaktemoleculen, " zei Fakhraai. "Ik denk dat dat iets is om in de toekomst meer te begrijpen."