Als glas geen vaste stof of vloeistof is, wat is het dan wel? Foto door Flickr-gebruiker -Kenzie-
Een glas merlot kan de wereld er rooskleurig uit laten zien, maar het kan ook een bron van frustratie zijn voor een natuurkundige. De wijn giet, spettert en wervelt, maar het glas blijft stijf als een stevig vat. Zoom in op de merlot en je ziet moleculen dicht bij elkaar gehouden maar bewegen zonder vaste positie. Zoom in op het wijnglas en je ziet ook deze ongeordende opstelling, maar geen beweging.
Op atomair niveau zien de twee vormen van materie er hetzelfde uit. Hoewel een glas bevroren is, mist het de rigide kristallijne structuur die bijvoorbeeld in ijsblokjes voorkomt.
Wetenschappers die glas bestudeerden, zagen vervormde versies van icosaëder (icosaëder links, vervormde versie rechts). Afbeelding via Science / Chen en Kotani
Hoewel ambachtslieden al duizenden jaren glas maken en wetenschappers de structuur ervan al tientallen jaren bestuderen, is er tot nu toe geen duidelijk experimenteel bewijs om te bevestigen wat voorkomt dat vloeistoffen die glazen vormen kristalliseren. In een nieuw artikel online gepubliceerd in Science, gebruikte een team van Japanse onderzoekers een krachtige elektronen diffractie microscoop om glas op de kleinste schalen tot nu toe te bekijken. Met zo'n hoge resolutie zagen ze wat een basiseenheid van sommige glazen lijkt te zijn - atomen verpakt in een vervormde versie van een icosaëder, een driedimensionale vorm met 20 gezichten.
Met geavanceerde geometrische hulpmiddelen karakteriseerde het team die vervormingen, rapporterend in de krant dat ze het systeem toestaan "een dichte atomaire pakking en een lage energietoestand te behouden." Bepaalde arrangementen van atomen, concluderen de onderzoekers, zijn de essentie van glasachtig omdat ze interfereren met de ontwikkeling van een goed georganiseerd kristal.
Meerdere weergaven van microscopische afbeeldingen van atomen in glas (rechts) stelden onderzoekers in staat om het niveau van vervorming van de specifieke icosaëder die de atomen organiseerden (links) te diagrammen. Afbeelding via Science / Chen en Kotani
Hoewel de onderzoekers een glas bestudeerden dat gemaakt was van zirkonium en platina, niet je gemiddelde ruit, kunnen de resultaten breder gelden. Door inzicht te krijgen in de manieren waarop atomen zich organiseren, kunnen materiaalwetenschappers manieren vinden om een nieuwe bril te maken en de bril die ze hebben te manipuleren.
Maar glas is verre van uitgerekend. Terwijl de studie verklaart waarom sommige vloeistoffen glazen vormen in plaats van te kristalliseren, verklaart het niet waarom deze vloeistoffen traag genoeg kunnen worden om vast te zijn, zegt chemicus Patrick Charbonneau van de Duke University. Een grote gemeenschap van wetenschappers probeert sinds de jaren tachtig de traagheid op te lossen , maar ze kunnen het niet eens worden over de oplossing en ze hebben zelfs ruzie over de beste aanpak.
Een populaire strategie neemt een stap terug om te proberen te begrijpen hoe atomen een bepaalde ruimte vullen. Het behandelt de atomen in glas als harde bollen samengepakt. Simpel toch? "Er is geen kwantummechanica, er is geen snaartheorie, je hoeft de ruimte niet in te roepen, " zegt Charbonneau. En toch is zelfs het bestuderen van glas op deze manier ongelooflijk moeilijk gebleken vanwege de complicaties die gepaard gaan met het uitzoeken welke posities zoveel deeltjes kunnen innemen. Bovenop de inherente uitdaging van het beschrijven van de opstelling van de bollen, is de aanpak een vereenvoudiging en het is niet duidelijk hoe relevant het zou zijn voor echte glazen.
Toch lijkt Charbonneau opgewonden wanneer hij over dergelijke onderzoeksproblemen praat. Zijn glas merlot is halfvol, omdat hij gelooft dat de laatste paar jaar enorme vooruitgang heeft gebracht. Wetenschappers zijn volgens hem creatiever geworden in het stellen van vragen over glas. Charbonneau's eigen onderzoek simuleert glas in hogere dimensies, bevindingen die belangrijke implicaties kunnen hebben voor de mate van wanorde in driedimensionaal glas. Andere onderzoekers overwegen wat er zou gebeuren als je sommige deeltjes in een onderkoelde vloeistof zou immobiliseren, in de hoop te laten zien hoe dergelijke vloeistoffen een glazige toestand bereiken. Nog meer beschouwen atomen in glas als entiteiten die op zichzelf kunnen bewegen, een soort van biologische cellen. Al deze inspanningen proberen de soorten interacties te bepalen die bijdragen aan de vorming van glas, zodat wetenschappers een echt goede traagheidstheorie zullen herkennen wanneer ze deze zien.
Ondanks al dit gepraat over beweging, verwacht je niet dat je wijnglas snel zichtbaar zal vloeien. Dit glas “gaat langer mee dan de tijdschaal van het universum”, zegt Charbonneau. Beweert dat het gebrandschilderde glas in middeleeuwse kathedralen aan de onderkant dikker is omdat de glasstromen stapelbed zijn. Maar precies waarom het niet vloeit, blijft een mysterie.
