Glas is overal. Of iemand nu uit een raam staart of door een smartphone scrolt, de kans is groot dat er een laag glas tussen hen zit en waar ze ook naar kijken.

Ondanks dat je er minstens 5 bent, 000 jaar, er is nog veel onbekend over dit materiaal, zoals hoe bepaalde glazen worden gevormd en hoe ze bepaalde eigenschappen bereiken. Een beter begrip hiervan kan leiden tot innovaties in technologie, zoals krasvrije coatings en glas met verschillende mechanische eigenschappen.

De afgelopen jaren is onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben gekeken naar eigenschappen van stabiele glazen, dicht opeengepakte vormen van glas die worden geproduceerd door moleculen uit een dampfase op een koud substraat af te zetten.

"Er zijn veel vragen " zei Zahra Fakhraai, een universitair hoofddocent scheikunde aan Penn's School of Arts &Sciences, "over de vraag of dit analoog is aan dezelfde amorfe staat van natuurlijk verouderde glazen zoals barnsteen, die worden gevormd door gewoon een vloeistof af te koelen en voor velen te laten rijpen, vele jaren."

Om deze vragen te beantwoorden, Fahkraai en Ph.D. student Tianyi Liu werkte samen met scheikundeprofessor Patrick Walsh die een nieuw speciaal molecuul ontwierp en synthetiseerde dat perfect rond is met een bolvorm. Volgens Fakhraai, deze unieke moleculen kunnen zich nooit uitlijnen met een substraat terwijl ze worden afgezet. Daarom, de onderzoekers verwachtten dat de bril amorf en isotroop zou zijn, wat betekent dat hun samenstellende deeltjes, of het nu atomen zijn, colloïden of granen, zijn gerangschikt op een manier die geen overkoepelend patroon of volgorde heeft.

Verrassend genoeg, merkten de onderzoekers dat deze stabiele glazen dubbelbrekend zijn, wat betekent dat de brekingsindex van licht verschillend is in richtingen evenwijdig aan en loodrecht op het substraat, wat niet verwacht zou worden in een rond materiaal. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Met dubbele breking, licht dat in de ene richting schijnt zal anders breken dan licht dat uit een andere richting schijnt. Dit effect wordt vaak gebruikt in LCD-schermen:door de oriëntatie van het materiaal te veranderen, gaat licht er anders mee om, optische effecten produceren. In de meeste gedeponeerde glazen, dit is het resultaat van moleculen die zich in een bepaalde richting uitlijnen terwijl ze condenseren van de dampfase naar een diepe glasachtige toestand.

De dubbele brekingspatronen van de stabiele glazen waren vreemd, Fakhraai zei, omdat de onderzoekers geen enkele oriëntatie van deze ronde moleculen in het materiaal verwachtten.

Na een samenwerking met natuurkundeprofessor James Kikkawa en Ph.D. studente Annemarie Exarhos, die fotoluminescentie-experimenten deden om naar de oriëntatie van de moleculen te kijken, en scheikundeprofessor Joseph Subotnick, die hielpen met de simulaties die gericht waren op het kijken naar de kristalstructuur en het berekenen van de brekingsindex van het kristal, waardoor ze de wiskunde van de mate van dubbele breking of ordening in de amorfe toestand konden berekenen, de onderzoekers bevestigden hun vermoeden dat er geen oriëntatie in het materiaal was.

Ondanks het meten van de nulde orde in het glas, de wetenschappers zagen nog steeds een hoeveelheid dubbele breking analoog aan het hebben van tot 30 procent van de moleculen perfect geordend. Door hun experimenten, ze ontdekten dat dit te wijten is aan de laag-voor-laag aard van de afzetting waardoor moleculen tijdens de afzetting strakker kunnen worden verpakt in de richting loodrecht op het oppervlak. Hoe dichter het glas, hoe hoger de waarde van dubbele breking. Dit proces kan worden gecontroleerd door de substraattemperatuur te veranderen die de mate van verdichting regelt.

"We hebben kunnen laten zien dat dit een uniek soort order is dat voortkomt uit het proces, " Fakhraai zei. "Dit is een nieuw soort verpakking die heel uniek is omdat je geen oriëntatie hebt, maar je kunt de moleculaire afstanden nog steeds gemiddeld manipuleren en toch een willekeurige maar dubbelbrekende pakking hebben. En dus leert dit ons veel over het proces van hoe je daadwerkelijk toegang kunt krijgen tot deze lagere toestandsfasen, maar het biedt ook een manier om optische eigenschappen te construeren zonder noodzakelijkerwijs een orde of structuur in het materiaal te veroorzaken."

Omdat de stressoren verschillend in en uit het vlak zijn verdeeld, deze glazen kunnen verschillende mechanische eigenschappen hebben, die nuttig kunnen zijn in coatings en technologie. Het kan mogelijk zijn om de oriëntatie van een glas of de gelaagdheid ervan te manipuleren om het bepaalde eigenschappen te geven, zoals anti-kras coatings.

"We verwachten dat als we het glasoppervlak met iets zouden laten inspringen, "Fakhraai zei, "het zou een andere taaiheid hebben dan het aan de zijkant inspringen. Dit zou de breukpatronen of hardheid of elastische eigenschappen kunnen veranderen. Ik denk dat het begrijpen van hoe vorm, oriëntatie en pakking de mechanica van deze coatings kunnen beïnvloeden, is een van de plaatsen waar interessante toepassingen kunnen ontstaan."

Volgens Fakhraai, een van de meest opwindende stukken van dit onderzoek is het fundamentele aspect om nu te kunnen aantonen dat er amorfe fasen met een hoge dichtheid kunnen zijn. Ze hoopt dat zij en andere onderzoekers hun kennis van het bestuderen van deze systemen kunnen toepassen op wat er zou gebeuren in zeer verouderd glas.

"Dit vertelt ons dat we daadwerkelijk glazen kunnen maken met verpakkingen die relevant zijn voor zeer goed verouderd glas, Fakhraai zei. "Dit opent de mogelijkheid om het proces waarmee we stabiele glazen kunnen maken fundamenteel beter te begrijpen."