Als je een zwembril zou kunnen opzetten, krimp jezelf in elkaar als een personage uit The Magic School Bus en neem een ​​diepe duik in een vloeistof, je zou een menigte moleculen zien feesten alsof het 1999 is.

Al dit hectische wiebelen maakt het gemakkelijk voor moleculen om zichzelf te herschikken en voor de vloeistof als geheel om van vorm te veranderen. Maar voor onderkoelde vloeistoffen - vloeistoffen zoals honing die tot onder het vriespunt worden afgekoeld zonder te kristalliseren - vertraagt ​​de lagere temperatuur het dansen zoals 'At Last' van Etta James. Verlaag de temperatuur voldoende, en de vertraging kan zo dramatisch zijn dat het eeuwen of zelfs millennia duurt voordat de moleculen zich herschikken en de vloeistof beweegt.

Wetenschappers kunnen geen processen bestuderen die langer duren dan hun loopbaan. Maar Duke-chemici en hun Simons Foundation-medewerkers hebben een manier gevonden om de tijd te bedriegen, het simuleren van de langzame dans van diep onderkoelde vloeistoffen. Onderweg, ze hebben nieuwe fysische eigenschappen gevonden van "verouderde" onderkoelde vloeistoffen en glazen.

Om te begrijpen hoe langzaam diep onderkoelde vloeistoffen bewegen, overweeg 's werelds langstlopende experiment, het Pitch Drop-experiment van de University of Queensland. Elke acht tot dertien jaar vormt zich een enkele druppel pek - en deze pek beweegt sneller dan diep onderkoelde vloeistoffen.

"Experimenteel is er een grens aan wat je kunt waarnemen, want zelfs als het je je hele carrière lukt, dat is nog maximaal 50 jaar, " zei Patrick Charbonneau, een universitair hoofddocent scheikunde en natuurkunde aan Duke. "Voor veel mensen werd dat gezien als een hardglazen plafond, waarboven je het gedrag van onderkoelde vloeistoffen niet kon bestuderen."

Charbonneau, die een expert is op het gebied van numerieke simulaties, zei dat het gebruik van computers om het gedrag van onderkoelde vloeistoffen te simuleren nog steilere tijdsbeperkingen heeft. Hij schat dat, gezien het huidige tempo van computerontwikkeling, het zou 50 tot 100 jaar duren voordat computers krachtig genoeg zouden zijn voor simulaties om de experimentele mogelijkheden te overtreffen - en zelfs dan zouden de simulaties maanden duren.

Om dit glazen plafond te doorbreken, de Charbonneau-groep werkte samen met Ludovic Berthier en zijn team, die een algoritme ontwikkelden om deze tijdsdruk te omzeilen. In plaats van maanden of jaren te doen om te simuleren hoe elk molecuul in een onderkoelde vloeistof heen en weer beweegt totdat de moleculen zich herschikken, het algoritme kiest individuele moleculen om met elkaar van plaats te wisselen, het creëren van nieuwe moleculaire configuraties.

Hierdoor kan het team nieuwe configuraties verkennen waarvan het millennia kan duren voordat ze zich op natuurlijke wijze hebben gevormd. Deze "diep onderkoelde vloeistoffen en ultraverouderde glazen" vloeistoffen hebben een lagere energie, en stabieler, dan ooit eerder waargenomen.

"We speelden vals met de tijd in die zin dat we de dynamiek van het systeem niet hoefden te volgen, " zei Charbonneau. "We waren in staat om diep onderkoelde vloeistoffen te simuleren die veel verder gaan dan mogelijk is in experimenten, en het opende veel mogelijkheden."

Vorige zomer, het team gebruikte deze techniek om een ​​nieuwe faseovergang in lagetemperatuurglazen te ontdekken. Ze publiceerden onlangs twee aanvullende onderzoeken, waarvan er één licht werpt op de "Kauzmann-paradox, " een 70-jarige vraag over de entropie van onderkoelde vloeistoffen onder de glasovergang. De tweede onderzoekt de vorming van opgedampte glazen, die toepassingen hebben in medicijnafgifte en beschermende coatings.

"De natuur heeft maar één manier om in evenwicht te komen, door gewoon de moleculaire dynamica te volgen, " zei Sho Yaida, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Charbonneau. "Maar het mooie van numerieke simulaties is dat je het algoritme kunt aanpassen om je experiment te versnellen."