Iedereen weet dat water bevriest bij 0 graden C. Het leven op aarde zou er heel anders uitzien als dit niet zo was. Echter, neef van water, silica, vertoont eigenzinnig gedrag bij afkoeling dat wetenschappers lang in verwarring heeft gebracht.

In tegenstelling tot water, silica (SiO ₂ ) bevriest niet gemakkelijk. Wanneer vloeibaar silica afkoelt, zijn atomen kunnen niet in een geordend kristal worden gerangschikt. In plaats daarvan, als de temperatuur daalt, de vloeibare toestand overleeft zelfs ver onder de nominale vriestemperatuur. Dit fenomeen wordt onderkoeling genoemd. Eventueel, de atomen zitten gewoon op hun plaats, waar ze ook zijn, behoud van de structurele wanorde van de vloeistof. De resulterende bevroren toestand van materie - mechanisch vast, maar microscopisch vloeibaar - is een glas.

Silica's voorkeur voor glasvorming heeft grote gevolgen, omdat het een van de meest voorkomende verbindingen op aarde is. In sommige opzichten, silica en water zijn hetzelfde - ze hebben vergelijkbare coördinatiegeometrieën met tetraëdrische symmetrie, en beide vertonen een ongebruikelijke neiging om bij afkoeling minder dicht te worden onder een bepaalde temperatuur, maar vloeiender bij het onder druk zetten. Ze vertonen zelfs analoge kristalstructuren wanneer silica kan worden overgehaald om te bevriezen.

Onlangs, onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokyo hebben essentiële aanwijzingen gevonden waarom water en silica zo sterk uiteenlopen als ze koud worden. In een studie gepubliceerd in PNAS , hun simulaties onthulden de invloed van de lokale symmetrische rangschikking van atomen in de vloeibare toestand op kristallisatie. Het blijkt dat de atomen zich goed ordenen in water, maar niet in silica.

Als vloeistoffen afkoelen, orde komt voort uit willekeur, terwijl de atomen in patronen samenkomen. Vanuit het gezichtspunt van elk individueel atoom, een reeks concentrische schelpen verschijnen terwijl zijn buren zich verzamelen. In zowel water als silica, de eerste schil (rond elk O- of Si-atoom, respectievelijk) is tetraëdrisch van vorm - een geval van oriënterende ordening, of "symmetrie breken." Het belangrijkste verschil is de tweede schaalstructuur. Voor water, het is nog steeds goed gerangschikt met oriënterende volgorde, maar voor silica, de tweede schaal wordt willekeurig rondgesmeerd met weinig oriënterende volgorde.

"In water, de lokaal geordende structuren zijn voorlopers van ijs; dat is, tetraëdrische kristallen van H2O, " legt co-auteur Rui Shi uit. "De oriënterende ordening, of rotatiesymmetrie breken, in vloeibare toestand verklaart waarom water zo gemakkelijk bevriest. In onderkoeld silica, echter, het ontbreken van oriënterende ordening verhindert kristallisatie, wat resulteert in gemakkelijke glasvorming. Met andere woorden, de rotatiesymmetrie is moeilijker te doorbreken in de vloeibare structuur van silica, en met minder oriënterende volgorde."

De onderzoekers verklaren dit verschil door de binding in de twee stoffen te vergelijken. Water bestaat uit individuele H2O-moleculen, bij elkaar gehouden door sterke covalente bindingen maar interactie via zwakkere waterstofbruggen. De stabiele moleculaire structuur van water beperkt de vrijheid van atomen, resulterend in een hoge oriënteringsorde in water. Silicium, echter, heeft geen moleculaire vorm, en atomen zijn daardoor op een minder directionele manier gebonden, wat leidt tot een slechte oriënteringsorde.

"We toonden aan dat de macroscopische verschillen tussen water en silica hun oorsprong vinden in de microscopische wereld van binding, corresponderende auteur Hajime Tanaka zegt. "We hopen dit principe uit te breiden naar andere stoffen, zoals vloeibare koolstof en silicium, die structureel vergelijkbaar zijn met water en silica. Het uiteindelijke doel is om een ​​algemene theorie te ontwikkelen over hoe glasvormers verschillen van kristalvormers, dat is iets dat wetenschappers tot nu toe is ontgaan."