Onderzoek gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences beschrijft een nieuw type vloeistof in dunne films, die een glas met een hoge dichtheid vormt. Resultaten gegenereerd in deze studie, uitgevoerd door onderzoekers van Penn's Department of Chemistry, demonstreren hoe deze glazen en andere soortgelijke materialen kunnen worden vervaardigd om dichter en stabieler te zijn, een raamwerk bieden voor het ontwikkelen van nieuwe toepassingen en apparaten door middel van een beter ontwerp.

Glas ontstaat meestal door stollen, of uit balans raken, van een vloeistof wanneer deze wordt afgekoeld tot een temperatuur waarbij de beweging stopt. De structuur van een glas lijkt sterk op de vloeibare fase, maar zijn eigenschappen zijn vergelijkbaar met vaste stoffen, vergelijkbaar met een kristal.

Brillen die gemaakt zijn in ultradunne, films op nanometerschaal worden veel gebruikt in toepassingen zoals OLED-schermen en optische vezels. Maar wanneer van dit soort glazen dunne films worden gemaakt, zelfs bij koude temperaturen gedragen ze zich meer als een vloeistof, en het resulterende materiaal kan vatbaar zijn voor druppelvorming of kristallisatie, die de grootte van de kleinst mogelijke functies beperkt.

Om betere glazen te maken, onderzoekers hebben dampafzetting gebruikt in plaats van een vloeistof te koelen om een ​​glas te produceren. Bij dampafzetting, een materiaal wordt direct van een gas in een vaste stof veranderd. Hoewel deze methode onderzoekers in staat heeft gesteld om dichtere soorten bulkglazen te maken, aanvankelijk werd gedacht dat dunne glasfilms gemaakt met deze methode nog steeds dezelfde vloeistofachtige eigenschappen zouden hebben die zouden leiden tot degradatie en instabiliteit.

Maar Yi-Jin, een recente Ph.D. afgestudeerde die werkte in het lab van Zahra Fakhraai, voerde experimenten uit en ontdekte dat dit niet echt het geval was. "Yi bleef verschillende eigenschappen ontdekken, geen van de gegevens klopte, en dus groeven we dieper totdat we genoeg gegevens hadden om een ​​foto samen te stellen, ' zegt Fakhraai.

Jin bracht enkele jaren door met het uitvoeren van gedetailleerde experimenten, van het veranderen van het glassubstraat, eigendommen, en afzettingssnelheden om ervoor te zorgen dat al hun apparatuur grondig werd schoongemaakt om besmetting of experimentele fouten uit te sluiten.

Nadat alle benodigde controle-experimenten zijn uitgevoerd, de onderzoekers waren verrast om te ontdekken dat bij het gebruik van dampafzetting, ze konden toegang krijgen tot een ander soort vloeistof, met een faseovergang naar de typische bulkvloeistof bij verwarming. Een faseovergang is wanneer een materiaal van één toestand verandert (gas, vloeistof, of vast) in een andere. "De twee vloeistoffen hebben verschillende structuren, verwant aan grafeen en diamant, beide vaste stoffen gemaakt van koolstof, maar bestaan ​​in zeer verschillende vaste vormen."

"Er zijn veel interessante panden die uit het niets zijn ontstaan, en niemand had gedacht dat je in dunne films deze fasen zou kunnen zien, ", zegt Fakhraai. "Het is een nieuw soort materiaal."

Met behulp van dampafzetting, de onderzoekers kunnen zeer dichte dunnefilmglazen maken, overeenkomend met de pakking van deze nieuwe vloeibare fase, met een dichtheid die veel hoger was dan voorspeld mogelijk was zonder enorme hoeveelheden druk uit te oefenen. Dunne films van deze glazen kunnen dichtheidswaarden hebben die zelfs hoger zijn dan die van kristal.

Om te bevestigen wat ze zagen, de onderzoekers verkregen ook gedetailleerde structurele informatie die laat zien hoe individuele moleculen worden verpakt met behulp van apparatuur in Brookhaven National Laboratory. Deze analyse hielp de onderzoekers bevestigen dat wat ze zagen niet alleen een kristal was, maar in plaats daarvan een geheel nieuwe fase in het glas.

Een andere hypothese op basis van de gegevens die ze tot nu toe hebben verzameld, is dat de mogelijkheid om toegang te krijgen tot deze unieke fase te wijten is aan de geometrie van het glas, wat betekent dat dit werk ook gevolgen kan hebben voor andere soorten materialen. "We ontwikkelen materialen die qua schaal proberen af ​​te nemen, " zegt Jin over zijn huidige werk in de materiaalwetenschapsindustrie. "Van wat we zien in een bril, er kunnen ook interessante fenomenen zijn die voortkomen uit andere materialen, zoals metalen materialen die vaak worden gebruikt in halfgeleiders, bijvoorbeeld."

Onderzoekers in het lab van Fakhraai werken al aan vervolgexperimenten om meer te weten te komen over de cruciale parameters die leiden tot deze unieke faseovergang. Dit omvat het bestuderen van films tijdens het depositieproces en "inzoomen" op het faseovergangsgebied om meer te leren over dit nieuw ontdekte fenomeen. Dit werk is ook cruciaal voor het verkrijgen van een beter begrip van brillen als geheel, zegt Fakhraai, waar er een ontkoppeling blijft tussen theorieën die een voorspellend platform zouden kunnen bieden voor het ontwikkelen van nieuwe materialen in toepassingen en nieuwe technologieën.

"Om de Moderna- of Pfizer-vaccins te verpakken, je een glas nodig hebt dat heel laag in temperatuur kan worden en niet breekt, en het feit dat die technologie bestaat, is een pluim voor hoe goed we bulkglasmechanica kunnen ontwikkelen, " zegt ze. "Onze hoop is dat dit fundamentele begrip meer toepassingen motiveert en een beter vermogen om dunnefilmglazen te ontwerpen met vergelijkbare verbeterde eigenschappen. Als de structuur-eigenschap relaties worden begrepen in dunne films, we kunnen het beter doen door ontwerp."