Onderzoekers van de UAB en het ICN2 hebben een methodologie ontwikkeld die het voor het eerst mogelijk maakt om in realtime onder de microscoop te observeren wat er gebeurt als glas wordt verwarmd en overgaat naar een onderkoelde vloeibare fase, bekend als de ‘glastransitie’. " Het onderzoek, gepubliceerd in Nature Physics , is van groot belang voor de cryopreservatie van eiwitten, cellen en levende weefsels, voor de vervaardiging van medicijnen en elektronische apparaten, en voor weefselmanipulatie, waarbij deze glas-naar-vloeistof-transitie een sleutelrol speelt.

Glas is een vast materiaal met een dermate wanordelijke structuur dat het kan worden beschouwd als een vloeistof met een buitengewoon hoge viscositeit. Het wordt aangetroffen in transparante ramen en glas-in-loodramen, in televisieschermen en mobiele apparaten, in glasvezel, in industriële plastic materialen, en ook in de toestand van eiwitten, celstructuren en levende weefsels wanneer ze worden ingevroren voor cryopreservatie.

Ondanks dat ze zo vaak voorkomen, is het erg moeilijk om theorieën en modellen te ontwikkelen die hun gedrag in detail kunnen verklaren. De mechanismen waardoor een vloeistof afkoelt en in een glas verandert, en omgekeerd, hoe een glas bij verhitting in een vloeistof verandert, iets dat bekend staat als 'glastransitie', worden nog steeds niet volledig begrepen.

Natuurkundigen weten nog steeds niet zeker of dit een faseovergang is en dat glas kan worden beschouwd als een thermodynamische toestand die zich onderscheidt van de vloeibare en vaste toestand; of dat glas eenvoudigweg een onderkoelde vloeistof is – afgekoeld tot onder het vriespunt maar toch vloeibare eigenschappen behoudt – waarvan de atomen of moleculen zeer weinig mobiliteit hebben. Een van de grootste problemen bij het begrijpen van dit proces ligt in de uitdaging om het met voldoende resolutie door de microscoop te visualiseren, aangezien de structuren van de onderkoelde vloeistof en het glas vrijwel niet van elkaar te onderscheiden zijn.

Een team onder leiding van onderzoekers van de afdeling natuurkunde van de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) en het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2), met betrokkenheid van het UPC en de IMB-CNM-CSIC, heeft een nieuwe methodologie gepresenteerd dat maakt het mogelijk om direct onder de microscoop te observeren wat er in een glas gebeurt als het boven de glasovergangstemperatuur wordt verwarmd, ook wel het "relaxatie"-proces genoemd dat het in een vloeistof verandert.

Onderzoekers werkten met ultrastabiel organisch glas, dat wordt bereid via thermische verdamping. Ze zijn dichter en vertonen een hogere kinetische en thermodynamische stabiliteit dan conventioneel glas dat rechtstreeks uit vloeistoffen wordt verkregen. In tegenstelling tot conventioneel glas dat, zoals tot nu toe gezien, wereldwijd naar de vloeibare toestand transformeert, zonder duidelijk onderscheid tussen verschillende delen van het materiaal, gaat dit ultrastabiele glas op dezelfde manier over naar een onderkoelde vloeibare toestand als kristallijne vaste stoffen doen wanneer ze overgaan naar een onderkoelde vloeibare toestand. de vloeibare toestand, met de vorming van vloeistoffasegebieden die steeds groter worden.

Dit is een proces dat al indirect werd beschreven door nanocalorimetriemetingen en alleen werd waargenomen in computermodellen. "Eerder werd uit deze modellen al afgeleid dat de vloeistoffasegebieden die worden geproduceerd een buitengewone scheiding tussen hen hebben als het gaat om ultrastabiel glas, maar dit was nog nooit rechtstreeks waargenomen", zegt Cristian Rodriguez Tinoco, onderzoeker bij de UAB en ICN2.

De nieuwe methode die is ontwikkeld om deze overgang waar te nemen, bestaat uit het sandwichen van het ultrastabiele glas tussen twee glaslagen met een hogere overgangstemperatuur. Wanneer de ultrastabiele glaslaag wordt verwarmd tot boven de overgangstemperatuur, worden de instabiliteiten die aan het oppervlak optreden overgebracht naar de buitenste lagen van de sandwich en kunnen ze direct worden waargenomen met een atoomkrachtmicroscoop.

"Dit zijn zeer kleine bewegingen en compressies, in de orde van enkele nanometers wanneer de transformatie begint, maar groot genoeg om nauwkeurig te worden gemeten met een microscoop van dit type, die in situ de oppervlaktevervormingen bewaakt die boven de overgangstemperatuur verschijnen", zegt hij. legt Ph.D. uit studente Marta Ruiz Ruiz.

Het werk maakt het mogelijk om de devitrificatie van het glas in realtime te volgen. Het maakt het mogelijk de dynamiek van het relaxatieproces in ultrastabiele kristallen ten opzichte van een onderkoelde vloeistof te kwantificeren door rechtstreeks de afstanden te meten tussen de vloeistofdomeinen die verschijnen, terwijl de vervorming van het oppervlak en de evolutie ervan in de loop van de tijd worden waargenomen. Op deze manier was het mogelijk om te bevestigen hoe deze afstanden tussen vloeistofgebieden buitengewoon groot zijn bij dit type glas, en de correlatie van deze afstanden met de tijdschalen van het materiaal, zoals voorspeld door computermodellen.

"De microscopische beschrijving die we hebben bereikt heeft voor het eerst een directe vergelijking mogelijk gemaakt tussen computermodellen en de fysieke realiteit. Wij geloven dat deze techniek ook zeer nuttig zal zijn bij het onderzoeken van de glastransitie op kleinere tijd- en ruimteschalen, wat een beter begrip van de transitie in minder stabiel glas geproduceerd uit gekoelde vloeistoffen", besluit Javier Rodríguez Viejo, onderzoeker bij de UAB en ICN2.

Meer informatie: Marta Ruiz-Ruiz et al, Real-time microscopie van de relaxatie van een glas, Natuurfysica (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02125-0

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door de Autonome Universiteit van Barcelona