Voor millennia, mensen hebben gesmolten zand en andere ingrediënten gebruikt om glas- en modekralen te maken, schepen, lenzen en ramen.

Tegenwoordig, metalen glazen - volledig gemaakt van metaalatomen - worden ontwikkeld voor biomedische toepassingen zoals extra scherpe chirurgische naalden, stents, en kunstmatige gewrichten of implantaten omdat de legeringen ultrahard kunnen zijn, extra sterk, zeer glad en bestand tegen corrosie.

Hoewel een combinatie van vallen en opstaan ​​en wetenschappelijk onderzoek hielp bij het verfijnen van glasproductieprocessen in de loop van de tijd, het beheersen van de creatie van metalen glazen op atomair niveau blijft een onnauwkeurige onderneming die grotendeels wordt gebaseerd op lange ervaring en intuïtie.

"Onze baan, " zegt Paul Voyles, "is om fundamenteel begrip op te bouwen door meer gegevens toe te voegen."

De Beckwith-Bascom Professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, Voyles en medewerkers in Madison en aan de Yale University hebben aanzienlijke experimentele vooruitgang geboekt om te begrijpen hoe, wanneer en waar de constant bewegende atomen in gesmolten metaal op hun plaats "vergrendelen" terwijl het materiaal overgaat van vloeibaar naar vast glas.

Ze beschreven wat ze hebben waargenomen over hoe die atomen zich vandaag de dag (19 maart, 19 maart) in de loop van de tijd bij verschillende temperaturen herschikken. 2018) in het tijdschrift Natuurcommunicatie . Het is kennis die de broodnodige experimentele duidelijkheid kan toevoegen aan verschillende concurrerende theorieën over hoe dat proces, de glasovergang genoemd, komt voor. Het kan ook helpen de tijd en kosten te verminderen die gepaard gaan met het ontwikkelen van nieuwe metalen glasmaterialen, en fabrikanten meer inzicht geven in procesontwerp.

Een uitdaging bij de verwerking is dat wanneer metalen overgaan van gesmolten vloeibaar naar vast, ze hebben de neiging om ordelijk te vormen, regelmatig herhalende atomaire structuren genaamd kristallen. In tegenstelling tot, glasmaterialen hebben een zeer ongeordende atomaire structuur. En terwijl het maken van een hoogwaardig metaalglas net zo eenvoudig klinkt als voorkomen dat metaalatomen kristallen vormen als het materiaal afkoelt, in werkelijkheid, het hangt enigszins af van het geluk van de trekking.

"Het proces dat een glas maakt en het proces dat een kristal met elkaar laat concurreren, en degene die wint - degene die sneller gebeurt - bepaalt het eindproduct, " zegt Voyles, wiens werk wordt ondersteund door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie.

In een vloeistof, alle atomen bewegen te allen tijde langs elkaar heen. Als een gesmolten metaal afkoelt, en begint de overgang naar een solide, zijn atomen vertragen en stoppen uiteindelijk met bewegen.

Het is een gecompliceerde dans op atomair niveau die wetenschappers nog steeds aan het ontrafelen zijn. Voortbouwend op hun expertise in elektronenmicroscopie en data-analyse, Voyles en zijn medewerkers hebben gemeten hoe lang het duurt, gemiddeld, voor een atoom om aangrenzende atomen te winnen of te verliezen als zijn omgeving fluctueert in de gesmolten vloeistof.

"Een atoom is omgeven door een heleboel andere atomen, " zegt Voyles. "Bij echt hoge temperaturen, ze stuiteren rond en elke picoseconde (een biljoenste van een seconde), ze hebben een nieuwe set buren. Naarmate de temperatuur daalt, ze blijven langer en langer bij hun buren totdat ze permanent blijven plakken."

Bij hoge temperaturen, de atomen bewegen allemaal snel. Vervolgens, als de vloeistof afkoelt, ze bewegen langzamer; een eenvoudige beschrijving zou kunnen zijn dat alle atomen samen vertragen, in hetzelfde tempo, totdat ze stoppen met bewegen en het materiaal een massief glas wordt.

"We hebben nu experimenteel aangetoond dat dit niet gebeurt, ' zegt Voyles.

Liever, hij zegt, de experimenten van zijn team bevestigden dat de tijd die atomen nodig hebben om op hun plaats te klikken sterk varieert - met minstens een orde van grootte - van plaats tot plaats in dezelfde vloeistof.

"Sommige regio's ter grootte van een nanometer worden eerst 'plakkerig' en houden hun buren heel lang vast, terwijl tussen de plakkerige stukjes stukjes zijn die veel sneller bewegen, "zegt hij. "Ze blijven 10 keer sneller fluctueren dan in de langzame delen en dan wordt alles langzamer, maar de kleverige delen worden ook groter totdat de kleverige delen 'winnen' en het materiaal een vaste stof wordt."

Nutsvoorzieningen, hij en zijn medewerkers proberen te begrijpen hoe de atomaire rangschikkingen verschillen tussen de langzame en snelle delen.

"Dat is het volgende grote ontbrekende stukje van de puzzel, " hij zegt.

Het voorschot biedt waardevolle informatie over het fundamentele proces waardoor elk glasmateriaal - van vensterglas tot plastic flessen tot farmaceutische preparaten en vele andere - overgaat van vloeibaar naar vast, zegt Voyles.

"Dit is echt fundamentele wetenschap, ", zegt hij. "Maar de uiteindelijke potentiële impact voor toepassingen is als we echt begrijpen hoe dit werkt op atomair niveau, dat geeft ons de mogelijkheid om controle in te bouwen waarmee we een bril kunnen maken van wat we willen in plaats van alleen een bril te krijgen als we geluk hebben."