18/01/2021
Door Ad Spijkers
Een interdisciplinair team van onderzoekers van de universiteiten van Konstanz en Amsterdam heeft een nieuwe materietoestand ontdekt: vloeibaar glas.
Glas is een alom tegenwoordig materiaal dat we dagelijks gebruiken. Maar het wetenschappelijk onderzoek naar de chemische en fysische eigenschappen ervan nog steeds gaande. In de natuur- en scheikunde is de term 'glas' zelf een veranderlijk begrip.
Als een materiaal overgaat van een vloeibare in een vaste toestand rangschikken de moleculen zich in een kristal-patroon. In glas gebeurt dat niet. In plaats daarvan 'bevriezen' de moleculen voordat de kristallisatie plaatsvindt. Glas is daarmee volgens de gebruikelijke definities geen vaste stof. De ongeordende toestand is kenmerkend voor alle glasachtige materialen. Wetenschappers proberen te begrijpen hoe een dergelijke metastabiele toestand kan ontstaan.
Vloeibaar glas
Onderzoek aan de Universität Konstanz en de Universiteit van Amsterdam heeft een extra laag complexiteit toegevoegd aan het raadsel van glas. Met behulp van een modelsysteem, bestaande uit suspensies van op maat gemaakte ellipsvormige colloïden, ontdekten de onderzoekers een nieuwe materietoestand, vloeibaar glas. Hierin zijn de deeltjes in staat om te bewegen maar niet om te draaien - een complex gedragspatroon dat niet eerder in glas is waargenomen.
Colloïdale suspensies zijn mengsels van vloeistoffen met vaste deeltjes (colloïden) die met hun grootte van een micrometer of meer beduidend groter zijn dan atomen en moleculen. Ze lenen zich daardoor goed voor onderzoek onder de microscoop.
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 het onderzoeksteam kleine kunststof deeltjes die werden opgerekt en gekoeld tot ze de juiste ellipsvorm aannamen. Daarna werden ze ingebracht in een geschikt oplosmiddel. Door hun bijzondere vorm hebben deze deeltjes een oriëntatie die leidt tot volledig nieuw en tot nu toe onbestudeerd complex gedrag.
Ellipsvormige colloïden
De onderzoekers veranderden vervolgens de concentratie van deeltjes in de suspensies, waarbij ze zowel de verplaatsing als 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. Dat leidde tot glasachtige toestanden waarin de deeltjes clusters vormden met grofweg dezelfde oriëntatie.
In deze toestand die de onderzoekers 'vloeibaar glas' noemen, werken de clusters elkaar onderling tegen en leiden daardoor tot ruimtelijke correlaties over grote afstanden. Het resultaat is dat er géén vloeibaar kristal word gevormd - de gebruikelijke globaal geordende toestand die men op basis van de thermodynamica zou verwachten.
De resultaten doen vermoeden dat soortgelijke dynamica ook in andere glasvormende systemen een rol speelt. Dit zou kunnen 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.
Foto: Universität Konstanz