Glazige stoffen zijn overal, toch wordt deze toestand van de materie niet volledig begrepen. Het basisbeeld is duidelijk genoeg:glazen zijn vaste stoffen die de normale atomaire structuur van een kristal missen. Hoe en waarom ze ontstaan, echter, zijn vragen die natuurkundigen decennialang bezig houden. Nutsvoorzieningen, onderzoek uit Japan heeft aangetoond dat glasvorming kan worden begrepen als de vloeibare structuur goed wordt beschreven.

In Fysieke beoordeling X , onderzoekers van het Institute of Industrial Science (IIS) van de Universiteit van Tokyo geven een gedetailleerde studie van de structurele veranderingen tijdens de glasovergang. In een goed ontworpen reeks moleculaire dynamica-simulaties, ze wilden oplossen of het proces fundamenteel thermodynamisch is (afhankelijk van een of andere vorm van statische orde) of dynamisch (aangedreven door willekeurige atomaire bewegingen).

Het team simuleerde onderkoelde vloeistoffen nabij het overgangspunt, de temperatuur waarbij de deeltjesdiffusie stopt en een amorfe vaste stof verschijnt. Het doel was om een ​​verband te vinden tussen structurele patronen en de vertraging van atomaire beweging, d.w.z., of atomen in opkomende structuren minder mobiel zijn dan in ongeordende regio's. Als het bestaat, deze structuur-dynamische correlatie zou verifiëren dat thermodynamica de vorming van glazen regelt, net als voor kristallen. Dat zou een grote stap zijn in de richting van een universele theorie. Echter, aangezien een bril blijkbaar over lange afstand ontregeld is, het belang van lokale orde is ongrijpbaar.

In elke simulatie wordt het team kwantificeerde hoe goed de atomen samengepakt in de koelvloeistof door een structurele ordeparameter te meten. Zoals studie auteur Hua Tong uitlegt, "We waren zorgvuldig om orde te definiëren als elke lokale verpakking die sterisch de voorkeur had, niet alleen kristallijne pakking. Toen de atomen volgens dit criterium werden geclassificeerd en vervolgens werden gekwantificeerd door hun omgeving, bekend als grofkorrelig, er ontstond een duidelijke correlatie tussen structurele orde en dynamiek." Met andere woorden:meer geordende atomen waren inderdaad minder mobiel.

Glasvorming vindt plaats op twee tijdschalen:een langzaam alfaproces (α) en een snel bètaproces (β). Het verband tussen deze modi is - net als veel andere dingen in de glastheorie - gehuld in mysterie. Het IIS-team ontdekte dat de correlatie tussen structuur en dynamiek het sterkst was wanneer een specifieke lengte werd gebruikt voor grove korrel. deze lengte, die geleidelijk toeneemt naarmate de vloeistof afkoelt, komt netjes overeen met de karakteristieke lengte van dynamische heterogeniteit die maximaliseert op de α-tijdschaal. In de tussentijd, de grootte van de atomen zelf is gekoppeld aan de snelle β-modus. Daarom, elke glasvormende vloeistof is afhankelijk van dit paar intrinsieke, karakteristieke lengtes.

"De ontdekking van deze lengteschalen lost twee problemen tegelijk op, " auteur Hajime Tanaka zegt. "Eerst, met behulp van robuuste statistieken, laten we zien dat glasvorming echt thermodynamisch is. Ondanks hun schijnbare willekeur, glazige vloeistoffen tonen subtiele ordening, hoewel minder gericht dan in kristallen. Tweede, de α- en β-modi hebben een gemeenschappelijke structurele oorsprong, ook al volgen ze verschillende lengteschalen. Dit onthult een intrinsiek verband tussen deze twee belangrijke dynamische modi. Nutsvoorzieningen, de vraag is of het verband tussen structuur en dynamiek meer is dan alleen een correlatie. In de toekomst hopen we een directe causaliteit te vinden."

Het artikel, "Onthulling van verborgen structurele orde die zowel snelle als langzame glazige dynamiek in onderkoelde vloeistoffen controleert, " werd gepubliceerd in Fysieke beoordeling X op doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011041