Glastransitie is een grote uitdaging in de fysica van de gecondenseerde materie en onthult nog steeds verrassingen, ondanks tientallen jaren van intensief onderzoek. Zo werd tot nu toe gedacht dat diffusie in glasachtige vloeistoffen kwalitatief vergelijkbaar was met die in conventionele, "hete" vloeistoffen, althans voor lange observatietijden. Nieuw onderzoek gepubliceerd in Physical Review Letters toont aan dat dit niet het geval is:langdurige diffusie in glasachtige vloeistoffen is inderdaad "Fickiaans maar niet-Gaussiaans" (FnGD), een intrigerend kenmerk dat eerder is ontdekt in complexe en biologische vloeistoffen. In tegenstelling tot die systemen wordt FnGD in glasachtige vloeistoffen echter dramatisch bij het naderen van de glasovergang en lijkt te worden gekenmerkt door universele schaalwetten. De studie, die experimenten en simulaties combineert, werd uitgevoerd door Francesco Rusciano (Ph.D. student), Raffaele Pastore en Francesco Greco bij de groep van statistische mechanica van zachte materialen van de Universiteit van Napels Federico II.

Het glasovergangsprobleem

Na tientallen jaren van experimentele en theoretische inspanningen door een brede wetenschappelijke gemeenschap, blijft de glasovergang nog steeds een groot open probleem op het gebied van gecondenseerde materie en complexe systemen, zoals blijkt uit de Nobelprijs die onlangs is toegekend aan Giorgio Parisi, een van de leidende figuren op het gebied van dit onderwerp. Maar wat is een glas? In het kort, wanneer een moleculaire vloeistof snel wordt afgekoeld tot onder zijn smelttemperatuur, kan kristallisatie worden vermeden. In deze toestand doen echter zelfs bescheiden temperatuurdalingen de viscositeit met orden van grootte toenemen en leiden uiteindelijk tot "glas", een materiaal dat mechanisch solide is en toch de ongeordende microscopische structuur behoudt die typisch is voor een vloeistof. De glasovergang daagt dus een fundamentele veronderstelling in gecondenseerde materie uit, namelijk dat de microscopische structuur en de mechanische respons van een materiaal nauw verwant zijn. Interessant is dat is gebleken dat de glasovergang niet alleen een voorrecht is van moleculaire vloeistoffen, maar ook in andere systemen voorkomt, zoals colloïdale suspensies met toenemende concentratie. Hoewel de ontwikkeling van een alomvattende theorie voor verglazing nog onderwerp van actief debat is, is het nu duidelijk dat de aanwezigheid van dynamische heterogeniteit, d.w.z. het langdurig naast elkaar bestaan ​​van clusters van snelle en langzame bewegende deeltjes. Glasachtige vloeistoffen worden in feite beschouwd als een paradigmatisch model van dynamische heterogeniteit.

Fickiaanse niet-Gaussiaanse diffusie

Terwijl glasovergang een al lang bestaand probleem is, is FnGD een veel recenter probleem. Deeltjesdiffusie in conventionele vloeistoffen en in veel andere systemen wordt gekenmerkt door een deeltje Mean Square Displacement (MSD) dat lineair toeneemt in de tijd (Fickiaans) en door een Gaussiaanse verplaatsingsverdeling, zoals voorspeld door Einsteins beroemde werk over Brownse beweging en de interpretatie ervan in termen van willekeurige wandeling. In sommige systemen, zoals glasvezelnetwerken of poreuze materialen, blijkt diffusie echter niet-Fickiaans en niet-Gaussiaans te zijn en wordt daarom "abnormale diffusie" genoemd. Vanwege deze waarnemingen werd aangenomen dat Fickiaans en Gaussiaans gedrag samen voorkomen of helemaal niet voorkomen.

Deze algemene verwachting werd in 2009 gekraakt door baanbrekende experimenten in de groep van Granick (University of Urbana, Illinois), die het bestaan ​​van een nieuw type diffusie aan het licht brachten, die tegelijkertijd Fickiaans maar niet-Gaussiaans is. Sinds de ontdekking in biologische vloeistoffen is FnGD gevonden in een grote verscheidenheid aan systemen van zachte materie, maar het begrip ervan is nog steeds ongrijpbaar. De opkomst van FnGD is echter generiek geassocieerd met enige structurele of dynamische heterogeniteit van de omgeving waar deeltjes bewegen.

Fickiaanse niet-Gaussiaanse diffusie in glasachtige vloeistoffen

De wijdverbreide gelijktijdigheid van heterogeniteit en FnGD motiveerde de onderzoekers van de Federico II van de Universiteit van Napels om te zoeken naar het mogelijke voorkomen van FnGD in glasvormende vloeistoffen, het toppunt van dynamische heterogeniteit, gebruikmakend van experimenten met colloïdale suspensies en simulaties van moleculaire vloeistoffen. De studie toont aan dat FnGD niet alleen aanwezig is in glasachtige vloeistoffen, maar ook zeer uitgesproken en langdurig wordt bij het naderen van de glasovergang. De studie toont ook aan dat universele machtswetten de relatie vastleggen tussen de tijdschalen voor het begin van Fickianiteit en voor het herstellen van Gaussianiteit, evenals de tijdsafhankelijkheid van de exponentiële staarten van de verplaatsingsverdelingen.

Over het algemeen openen deze bevindingen de weg naar een kruisbestuiving van ideeën tussen de twee problemen van FnGD en glastransitie. Aan de ene kant is FnGD de sleutel om langdurige diffusie in glasachtige vloeistoffen te begrijpen en om gevestigde concepten, zoals die van dynamische heterogeniteit, opnieuw te bekijken. Aan de andere kant kan de sterke signatuur van FnGD die zojuist is gevonden in glasachtige vloeistoffen waarschijnlijk een maatstaf vormen voor toekomstige studies van FnGD in andere systemen. + Verder verkennen

Einsteins beeld van Brownse beweging uitdagend