ENGINEERINGNET.BE - Glas zou als materiaal niet in evenwicht zijn, doordat bij een snel afkoelende vloeistof de atomen vastlopen in een chaotische toestand. In de natuur zou zo’n toestand ook niet stabiel zijn, volgens de huidige natuurkundige theorie.
Om dit fenomeen nader te onderzoeken, hebben UUtrecht en imec Nederland een modelsysteem van colloïden gemaakt. Colloïden zijn groter dan atomen, maar vertonen wel vergelijkbare eigenschappen. Door hun grootte kun je colloïden makkelijk onder een microscoop volgen, wat met atomen niet mogelijk is.
Het team koos daarbij voor staafvormige deeltjes, die kunnen verschuiven en draaien. Er werd een toestand gecreëerd waarin de posities van de staafjes wanordelijk en bevroren zijn, zoals in glas, terwijl de deeltjes nog wel kunnen roteren. Die toestand blijkt energetisch gunstig: het systeem keert er vanzelf naar terug.
Met een extern elektrisch veld gaven de onderzoekers het staafjesglas tijdelijk een zetje richting een kristalstructuur. Volgens de theorie zou dat een stabielere eindtoestand moeten zijn.
Maar zodra ze het veld weer uitzetten, keerde het materiaal terug naar de glasachtige toestand. Hiermee laten ze zien dat het gedrag van dit glas niet is vastgelopen in een soort tussentoestand, maar dat het in evenwicht is.
“De claim dat een glas in evenwicht kan zijn, is controversieel”, aldus Thijs Besseling van imec Nederland en UUtrecht.
Daarom werkten de onderzoekers samen met andere wetenschappers die gespecialiseerd zijn in simulaties. In computersimulaties zagen ze hetzelfde gedrag terug: ook daar ontstond bij hogere dichtheden geen kristal maar een glasachtige evenwichtstoestand.
Het onderzoek bewijst niet dat vensterglas ineens in evenwicht is. Atomaire systemen verschillen van colloïdale modelsystemen. Maar het onderzoek laat wel zien dat de vorm van de deeltjes een belangrijke rol kan spelen.
Veel moleculen zijn namelijk ook niet perfect bolvormig: sommige hebben een uitgerekte vorm en kunnen roteren. De resultaten suggereren dat die rotaties belangrijk kunnen zijn in de glasovergang, en in veel theorieën komt dat element niet terug.
Fundamenteel begrip van de glasovergang zou het mogelijk maken om de eigenschappen en levensduur van niet-geordende materialen nauwkeurig te beschrijven en te voorspellen, waardoor materiaalontwikkeling sneller en efficiënter wordt.
Dit kan grote impact hebben op de ontwikkeling van bijvoorbeeld batterijen, coatings, biomaterialen en industriële productieprocessen.
Dit onderzoek kan ook relevant zijn voor de biologie en geneeskunde, omdat biologische processen zoals celgroei ook glasachtig gedrag laten zien.
Op de foto: Thijs Besseling gebruikte een confocale microscoop (links) om de staafvormige deeltjes van een paar micrometer groot te bestuderen (rechts)
