We leren op school dat materie in drie toestanden komt:vast, vloeistof en gas. Een verveelde en slimme student (we hebben er allemaal wel een ontmoet) vraagt ​​dan wel eens of glas een vaste stof of een vloeistof is.

De leerling heeft een punt. Glazen zijn rare "vaste vloeistoffen" die zo snel worden afgekoeld dat hun atomen of moleculen vastlopen voordat ze zich organiseren in de regelmatige patronen van een kristallijne vaste stof. Dus een glas heeft de mechanische eigenschappen van een vaste stof, maar de atomen of moleculen zijn ongeorganiseerd, zoals die in een vloeistof.

Een teken van de vreemdheid van glas is dat de overgang van vloeistof naar glas veel vager is dan de overgang van vloeibaar naar kristallijn vast. In feite, de glasovergang wordt willekeurig gedefinieerd als het punt waar het glasvormende materiaal een viscositeit van 1013 poise heeft. (De viscositeit van water bij kamertemperatuur is ongeveer 0,01 poise. Een dikke olie kan een viscositeit hebben van ongeveer 1,0 poise.) het is te dik om te vloeien en voldoet dus aan de praktische definitie van een vaste stof.

Wetenschappers haten definities die zo vaag zijn, maar ze zitten met deze vast omdat niemand de glasovergang echt begreep, die vaak op lijsten van de top 10 van onopgeloste problemen in de natuurkunde komt.

Voor het grootste gedeelte, wetenschappers hebben alleen bulkeigenschappen van glasvormende vloeistoffen kunnen meten, zoals viscositeit en soortelijke warmte, en de interpretaties die ze bedachten, waren mede afhankelijk van de metingen die ze deden. De glasliteratuur staat notoir vol met tegenstrijdige bevindingen en workshops over glas zijn het toneel voor levendig debat.

Maar in de afgelopen vijftien jaar nieuwe experimentele opstellingen die röntgenstralen of neutronen van de atomen verstrooien in een druppel vloeistof die wordt vastgehouden zonder een container (waardoor het zou kristalliseren) hebben wetenschappers eindelijk in staat gesteld om de atomaire eigenschappen van de vloeistof te meten. En dat is het niveau waarop ze vermoeden dat de geheimen van de glasovergang verborgen zijn.

In een zo'n onderzoek Ken Kelton, de Arthur Holly Compton Professor in Arts &Sciences aan de Washington University in St. Louis, en zijn onderzoeksteam (Chris Pueblo, Washington University en Minhua Sun, Harbin Normale Universiteit, China) vergeleek een maat voor de interactie van atomen voor verschillende glasvormende vloeistoffen. hun resultaten, online gepubliceerd in Natuurmaterialen , verzoenen verschillende maatregelen van glasvorming, een teken dat ze op de goede weg zijn.

"We hebben aangetoond dat het concept van fragiele en sterke vloeistoffen, die werd uitgevonden om uit te leggen waarom de viscositeit op duidelijk verschillende manieren verandert als een vloeistof afkoelt, gaat eigenlijk veel dieper dan alleen de viscositeit, "Zei Kelton. "Het is uiteindelijk gerelateerd aan de afstoting tussen atomen, die hun vermogen om samen te bewegen beperkt. Daarom komt het onderscheid tussen fragiele en sterke vloeistoffen ook voor in structurele eigenschappen, elastische eigenschappen en dynamiek. Het zijn allemaal gewoon verschillende manifestaties van die atomaire interactie."

Dit is de eerste keer dat het verband tussen viscositeit en atomaire interacties experimenteel is aangetoond, hij zei. Intrigerend, zijn studies en werk van anderen suggereren dat de glasovergang niet begint bij de conventionele glasovergangstemperatuur, maar bij een temperatuur die ongeveer twee keer hoger is in metalen glazen (meer dan twee keer hoger in de silicaatglazen, zoals vensterglas). Het is op dat moment, Kelton zei, de atomen beginnen eerst coöperatief te bewegen.

Drillen tot op atomair niveau

Keltons nieuwste ontdekkingen volgen op eerdere onderzoeken naar een kenmerk van glasvormende vloeistoffen dat fragiliteit wordt genoemd. Voor de meeste mensen, alle glazen zijn kwetsbaar, maar voor natuurkundigen zijn sommige 'sterk' en andere 'fragiel'.

Het onderscheid werd voor het eerst geïntroduceerd in 1995 door Austen Angell, een professor in de chemie aan de Arizona State University, die vond dat er een nieuwe term nodig was om dramatische verschillen vast te leggen in de manier waarop de viscositeit van een vloeistof toeneemt naarmate deze de glasovergang nadert.

De viscositeiten van sommige vloeistoffen veranderen geleidelijk en soepel naarmate ze deze overgang naderen. Maar omdat andere vloeistoffen worden gekoeld, hun viscositeit verandert in het begin heel weinig, maar als een raket opstijgen als de overgangstemperatuur nadert.

Destijds, Angell kon alleen de viscositeit meten, maar hij noemde het eerste type vloeistof "sterk" en het tweede type "fragiel" omdat hij vermoedde dat een structureel verschil ten grondslag lag aan de verschillen die hij zag,

"Het is gemakkelijker om uit te leggen wat hij bedoelde als je denkt dat een glas een vloeistof wordt in plaats van andersom, "Zei Kelton. "Stel dat een glas wordt verwarmd door de glasovergangstemperatuur. Als het een 'sterk' systeem is, het 'herinnert' zich de structuur die het had als glas - dat is meer geordend dan in een vloeistof - en dat vertelt je dat de structuur niet veel verandert door de overgang. In tegenstelling tot, een 'fragiel' systeem 'vergeet' snel zijn glasstructuur, wat je vertelt dat de structuur ervan veel verandert tijdens de overgang.

"Mensen voerden aan dat de verandering in viscositeit gerelateerd moest zijn aan de structuur - via verschillende tussenliggende concepten, waarvan sommige niet goed gedefinieerd zijn, " voegde Kelton eraan toe. "Wat we deden was over deze tussenstappen springen om direct aan te tonen dat kwetsbaarheid verband hield met structuur."

In 2014, hij met leden van zijn groep publiceerde in Natuurcommunicatie de resultaten van experimenten die aantoonden dat de kwetsbaarheid van een glasvormende vloeistof wordt weerspiegeld in iets dat de structuurfactor wordt genoemd, een hoeveelheid gemeten door verstrooiing van röntgenstralen van een druppel vloeistof die informatie bevat over de positie van de atomen in de druppel.

"Het was precies zoals Angell had vermoed, "Zei Kelton. "De snelheid van atomaire ordening in de vloeistof nabij de overgangstemperatuur bepaalt of een vloeistof 'fragiel' of 'sterk' is."

Scherpe kleine atomaire ellebogen

Maar Kelton was niet tevreden. Andere wetenschappers vonden correlaties tussen de kwetsbaarheid van een vloeistof en zijn elastische eigenschappen en dynamiek, evenals de structuur ervan. "Er moet iets gemeenschappelijks zijn, dacht hij. "Wat is het enige dat aan al deze dingen ten grondslag kan liggen?" Het antwoord, hij geloofde, moest de veranderende aantrekking en afstoting tussen atomen zijn naarmate ze dichter bij elkaar kwamen, die de atomaire interactiepotentiaal wordt genoemd.

Als twee atomen goed gescheiden zijn, Kelton legde uit, er is weinig interactie tussen hen en het interatomaire potentieel is bijna nul. Als ze dichter bij elkaar komen, ze voelen zich om verschillende redenen tot elkaar aangetrokken. De potentiële energie daalt, negatief (of aantrekkelijk) worden. Maar als ze nog dichterbij komen, de kernen van de atomen beginnen te interageren, elkaar afstoten. De energie schiet omhoog.

"Het is dat weerzinwekkende deel van het potentieel dat we zagen in onze experimenten, ' zei Kelton.

Wat ze ontdekten toen ze het afstotende potentieel van 10 verschillende metaallegeringen bij de Advanced Photon Source maten, een bundellijn bij Argonne National Laboratory, is dat "sterke" vloeistoffen steiler afstotend potentieel hebben en dat de helling van hun afstotende potentieel sneller verandert dan die van "fragiele". "Wat dit betekent, "Kelton zei, "is dat 'sterke' vloeistoffen sneller bestellen bij hoge temperaturen dan 'fragiele' vloeistoffen. Dat is de microscopische onderbouwing van Angell's kwetsbaarheid.

"Wat is interessant, ’ ging Kelton verder, "is dat we zien dat atomen coöperatief beginnen te reageren - waarbij ze zich van elkaar bewust zijn - bij temperaturen die ongeveer het dubbele zijn van de glasovergangstemperatuur en dicht bij de smelttemperatuur.

"Daar begint de glasovergang pas echt, " zei hij. "Naarmate de vloeistof meer en meer afkoelt, atomen bewegen samen totdat vlotten van samenwerking zich uitstrekken van de ene kant van de vloeistof naar de andere en de atomen vastlopen. Maar dat punt, de conventionele glasovergang, is slechts het eindpunt van een continu proces dat begint bij een veel hogere temperatuur."

Kelton zal binnenkort een workshop bijwonen in Polen waar hij een levendige discussie verwacht over zijn bevindingen, die in tegenspraak zijn met die van enkele van zijn collega's. Maar hij is ervan overtuigd dat hij de draad in handen heeft die uit het labyrint zal leiden, want verschillende niveaus van begrip beginnen op een lijn te komen. "Het is opwindend dat alles zo goed samengaat, " hij zei.

Bril, bril, overal

Ken Kelton heeft de glasovergang vele jaren nagestreefd, zowel omdat de natuurkunde interessant is en, hij bekent, omdat hij gewoon van vloeistoffen en glazen houdt. Maar als hij mensen googelt die zijn papers hebben geciteerd, ziet hij vaak dat ze in de industrie werken. Dit komt omdat brillen overal zijn. De meesten van ons denken aan glas als vensterglas of drinkglazen, maar veel levensmiddelen, drugs en plastic zijn ook brillen.

Droge spaghetti is hard en broos omdat het een glas is. Wanneer het in kokend water wordt verwarmd, ondergaat het een overgang naar een "rubberachtige" toestand die goed samengaat met rode saus. Suikerspin is een glas dat wordt gemaakt door suikerkristallen te smelten en vervolgens de smelt eruit te draaien, zodat strengen gesmolten suiker in de vorm van een glas "bevriezen". Cheetos, kroepoek en droge melkpoeder zijn allemaal glazen, net als veel andere voedingsmiddelen.

Farmaceutische bedrijven gebruiken vaak sproeidrogen of vriesdrogen om ervoor te zorgen dat een medicijn glasachtig is in plaats van kristallijn. Veel harde kunststoffen, zoals polysytreen (verpakking van pinda's, wegwerpscheermessen) en polyvinylchloride (vinylbeplating, sanitair) zijn ook glazen.

Industriële wetenschappers scannen de documenten van Kelton omdat ze de glasovergang en de transformatie van het glas naar een kristallijne vaste stof moeten controleren om hun producten gewenste eigenschappen te geven. Geneesmiddelen in een glazige toestand lossen over het algemeen beter op in het lichaam, zodat lagere doses effectief zijn, en sommige medicijnen moeten als glazen worden geproduceerd omdat ze onoplosbaar zijn in hun kristallijne vorm. Ook bij de productie van kunststoffen is beheersing van de glasovergang van belang. Omdat het een bril is, harde kunststoffen hebben een "herinnering" aan hun thermische geschiedenis die van invloed is op hoe ze presteren en ouder worden.