Nieuwe materietoestand ontdekt: vloeibaar glas

Een internationaal onderzoeksteam heeft een nieuwe materietoestand ontdekt, namelijk vloeibaar glas, met structuureigenschappen die tot nu toe niet eerder zijn waargenomen.

Trefwoorden: #colloïden, #glas, #kristal, #materietoestand, #molecuul, #polymeren, #thermodynamica, #Universiteit van Konstanz, #UvA, #vloeibaar glas

Lees verder

research

( Foto: Universiteit van Konstanz )

ENGINEERINGNET.BE - Glas is hard, maar het is volgens de gebruikelijke definities desondanks geen vaste stof. Als een materiaal overgaat van een vloeibare in een vaste toestand rangschikken de moleculen zich in een kristal-patroon. In glas gebeurt dat niet.

De moleculen bevriezen in plaats daarvan voordat de kristallisatie plaatsvindt. De vreemde, ongeordende toestand die zo ontstaat is karakteristiek voor alle glasachtige materialen. Wetenschappers proberen nog altijd te begrijpen hoe een dergelijke metastabiele toestand ontstaat.

Onderzoek van de Universiteit van Konstanz en de Universiteit van Amsterdam voegt nu een extra laag van complexiteit toe aan het raadsel van glas.

Met behulp van een modelsysteem dat bestond uit suspensies van op maat gemaakte ellipsvormige colloïden, ontdekten de onderzoekers een nieuwe materietoestand, vloeibaar glas, waarin de deeltjes wel in staat zijn om te bewegen maar niet om te draaien - een complex gedragspatroon dat niet eerder in glassen is waargenomen.

Tot nu toe maakten de meeste experimenten met colloïdale suspensies gebruik van bolvormige colloïden. De meeste natuurlijke en kunstmatige systemen bestaan echter uit deeltjes die niet rond zijn.

Gebruikmakend van de scheikunde van polymeren maakte de onderzoekers kleine plasticdeeltjes die opgerekt en gekoeld werden tot ze de juiste ellipsvorm aannamen, en daarna werden ingebracht in een geschikt oplosmiddel.

Door hun bijzondere vorm hebben deze deeltjes een oriëntatie - in tegenstelling tot bolvormige deeltjes - die leidt tot volledig nieuw en complex gedrag.

De onderzoekers veranderden daarna de concentratie van deeltjes in de suspensies, waarbij ze de verplaatsing en de draaiing van de deeltjes vastlegden met een confocale microscoop.

Bij bepaalde deeltjesdichtheden bevroor de verandering in de oriëntatie helemaal, terwijl de deeltjes zich nog wel konden verplaatsen, wat leidde tot glasachtige toestanden waarin de deeltjes clusters vormden met grofweg dezelfde oriëntatie.

Het resultaat is dat er géén vloeibaar kristal word gevormd - de gebruikelijke globaal geordende toestand die men op basis van de thermodynamica zou verwachten.

Wat de onderzoekers waarnamen waren in feite twee concurrerende glasovergangen in interactie met elkaar - een normale fase-overgang tussen 'vast' en 'vloeibaar' en een tweede fase-overgang uit evenwicht.

"Dit is enorm interessant vanuit theoretisch oogpunt," zegt Matthias Fuchs, hoogleraar aan de Universiteit van Konstanz. "Onze experimenten geven precies de aanwijzingen voor het samenspel tussen kritieke fluctuaties en glasvorming waarnaar de wetenschappelijke gemeenschap al een tijd zoekt."

De voorspelling dat vloeibare glassen zouden kúnnen bestaan was al twintig jaar een theoretisch vermoeden. De resultaten doen vermoeden dat soortgelijke dynamica ook in andere glasvormende systemen een rol speelt, en kan helpen om het gedrag van complexe systemen en moleculen, variërend van heel klein (biologisch) tot heel groot (kosmologisch) beter te begrijpen.

Mogelijk heeft dit ook invloed op de ontwikkeling van technologie waarin vloeibare kristallen worden gebruikt.


Op de figuur boven: De nieuwe glas-toestand is gemaakt van ellipsvormige colloïden.