Natuurkundigen in Darmstadt onderzoeken verouderingsprocessen in materialen. Voor het eerst hebben ze het tikken van een interne klok in glas gemeten. Bij het evalueren van de gegevens ontdekten ze een verrassend fenomeen.

Wij ervaren dat tijd slechts één richting heeft. Wie heeft ooit een beker op de grond zien vallen, om zich vervolgens spontaan weer in elkaar te zetten? Voor natuurkundigen is dit niet meteen vanzelfsprekend, omdat de formules die bewegingen beschrijven van toepassing zijn ongeacht de richting van de tijd.

Een video van een slinger die ongehinderd rondzwaait, zou er bijvoorbeeld precies hetzelfde uitzien als hij achteruit zou lopen. De dagelijkse onomkeerbaarheid die we ervaren, speelt alleen een rol door een verdere natuurwet, de tweede wet van de thermodynamica. Dit stelt dat de wanorde in een systeem voortdurend toeneemt. Als de kapotte beker zichzelf echter weer in elkaar zou zetten, zou de wanorde afnemen.

Je zou kunnen denken dat de veroudering van materialen net zo onomkeerbaar is als het breken van glas. Bij het onderzoeken van de bewegingen van moleculen in glas of plastic hebben natuurkundigen uit Darmstadt nu echter ontdekt dat deze bewegingen in de tijd omkeerbaar zijn als ze vanuit een bepaald perspectief worden bekeken.

Het team onder leiding van Till Böhmer van het Institute for Condensed Matter Physics van de Technische Universiteit van Darmstadt heeft zijn resultaten gepubliceerd in Nature Physics .

Glazen of plastics bestaan ​​uit een kluwen van moleculen. De deeltjes zijn voortdurend in beweging, waardoor ze steeds weer naar nieuwe posities glijden. Ze zijn voortdurend op zoek naar een gunstiger energetische toestand, waardoor de materiaaleigenschappen in de loop van de tijd veranderen:het glas veroudert.

Bij bruikbare materialen zoals vensterglas kan dit echter miljarden jaren duren. Het verouderingsproces kan worden beschreven door wat bekend staat als de 'materiële tijd'. Stel je het zo voor:het materiaal heeft een interne klok die anders tikt dan de klok aan de laboratoriummuur. De materiële tijd tikt met een andere snelheid, afhankelijk van hoe snel de moleculen in het materiaal zich reorganiseren.

Sinds het concept zo’n vijftig jaar geleden werd ontdekt, is niemand er echter in geslaagd de materiële tijd te meten. Nu hebben de onderzoekers in Darmstadt onder leiding van prof. Thomas Blochowicz dit voor het eerst gedaan.

"Het was een enorme experimentele uitdaging", zegt Böhmer. De minuscule fluctuaties in de moleculen moesten worden gedocumenteerd met een ultragevoelige videocamera. "Je kunt de moleculen niet zomaar zien ronddraaien", voegt Blokhowicz toe.

Toch merkten de onderzoekers wel iets op. Ze richtten een laser op het monster van glas. De moleculen erin verstrooien het licht. De verstrooide bundels overlappen elkaar en vormen een chaotisch patroon van lichte en donkere vlekken op de sensor van de camera. Statistische methoden kunnen worden gebruikt om te berekenen hoe de fluctuaties in de loop van de tijd variëren, met andere woorden, hoe snel de interne klok van het materiaal tikt. "Dit vereist extreem nauwkeurige metingen die alleen mogelijk waren met de modernste videocamera's", zegt Blokhowicz.

Maar het was het waard. De statistische analyse van de moleculaire fluctuaties, waar onderzoekers van de Roskilde Universiteit in Denemarken mee hielpen, bracht enkele verrassende resultaten aan het licht. In termen van materiële tijd zijn de fluctuaties van de moleculen in de tijd omkeerbaar. Dit betekent dat ze niet veranderen als de materiële tijd achteruit mag tikken, vergelijkbaar met de video van de slinger, die er hetzelfde uitziet als hij vooruit en achteruit wordt afgespeeld.

“Dit betekent echter niet dat de veroudering van materialen kan worden teruggedraaid”, benadrukt Böhmer. Het resultaat bevestigt eerder dat het concept van materiële tijd goed gekozen is, omdat het het gehele onomkeerbare deel van de veroudering van het materiaal tot uitdrukking brengt. Het tikken ervan belichaamt het verstrijken van de tijd voor het materiaal in kwestie.

Al het andere dat in het materiaal beweegt in relatie tot deze tijdschaal draagt ​​niet bij aan veroudering. Net zoals, metaforisch gesproken, spelende kinderen op de achterbank van een auto niet bijdragen aan de beweging ervan.

De onderzoekers uit Darmstadt zijn van mening dat dit in het algemeen van toepassing is op ongeordende materialen, aangezien ze twee materiaalklassen – glas en plastic – onderzochten en een computersimulatie van een modelmateriaal uitvoerden – met dezelfde resultaten.

Het succes van de natuurkundigen is nog maar het begin. "Dit laat ons achter met een berg onbeantwoorde vragen", zegt Blokhowicz. Het moet bijvoorbeeld nog worden opgehelderd in hoeverre de waargenomen omkeerbaarheid in termen van materiële tijd te wijten is aan de omkeerbaarheid van de natuurwetten, of hoe het tikken van de interne klok verschilt voor verschillende materialen.

De onderzoekers willen graag verder onderzoek doen, dus er kunnen nog meer spannende ontdekkingen in het verschiet liggen.

Meer informatie: Böhmer, T. et al., Tijdomkeerbaarheid tijdens veroudering van materialen. Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02366-z

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Technische Universitat Darmstadt