Een team van de Universiteit van Tokyo heeft in ongekend detail het zeldzame fenomeen van vloeistof-naar-vloeistof faseovergangen in een zuivere stof beschreven. Door te laten zien hoe een vloeistof gemaakt van slechts één type molecuul kan schakelen tussen vloeibare en glasachtige toestanden, dit onderzoek kan leiden tot een nieuwe manier om de transporteigenschappen van een vloeistof te beheersen.

Faseovergangen omvatten verschijnselen als smelten van ijs (vast naar vloeibaar), of stoom die uit een waterkoker komt (van vloeistof naar gas). Echter, de studie van hoe de ene opstelling van moleculen in de andere verandert, onthult complexe details over de sterkte van hun interacties. Bij conventionele faseovergangen, zoals met een ijzeren staaf die smelt tot gesmolten metaal, toegevoegde warmte zorgt ervoor dat de atomen zo hevig trillen dat ze loskomen van hun vaste roosteropstelling en een vloeibare vorm aannemen. Het team van de Universiteit van Tokyo bestudeerde een veel zeldzamer type faseovergang:van de ene vloeibare toestand naar de andere. In dit onderzoek, ze ontdekten dat zelfs zonder temperatuurverandering, relatief vrij stromend trifenylfosfiet zou geleidelijk kunnen verglazen tot een glasachtige toestand waarin de moleculen ongeordend blijven maar veel minder mobiel zijn. De verschillende fasen waren experimenteel identificeerbaar op basis van hoe snel de moleculen konden ontspannen na verstoring.

"In tegenstelling tot intuïtie, er is een groeiend aantal experimentele en theoretische bewijzen dat zelfs een stof met één component meerdere vloeibare toestanden kan hebben, ", zegt hoofdauteur Hajime Tanaka. Ze ontdekten dat de faseovergang op twee heel verschillende manieren kan plaatsvinden. De eerste heet "kiemvorming en groei, " een langzaam proces dat de opkomst van de ene fase in de andere vereist om een ​​barrière te overwinnen om te beginnen. Het andere type is spinodale ontbinding, waarin de transitie soepel en zonder barrières kan verlopen. De onderzoekers ontdekten ook een kritische temperatuur, waarboven alleen genucleëerde groei zou kunnen optreden, maar onder deze temperatuur, spinodale ontbinding mogelijk was.

"Vanuit het oogpunt van praktische trifenylfosfiet is misschien wel een van de beste systemen voor het bestuderen van vloeistof-naar-vloeistofovergangen, aangezien de transformatie plaatsvindt bij omgevingsdruk en gematigde temperaturen, " zegt eerste auteur Ken-ichiro Murata. "Faseovergangen, met name die waarbij sprake is van een verandering van een vloeibare naar een glasachtige toestand, worden vaak gebruikt bij de productie van polymeren. Dit onderzoek kan ons vermogen om deze processen te optimaliseren en te beheersen aanzienlijk vergroten."

De studie is gepubliceerd in PNAS .