De eerste directe, real-time waarnemingen van een ultrastabiel glas terwijl het "ontspant" in een onderkoelde vloeistof, hebben onderzoekers in staat gesteld een voorheen mysterieus proces dat bekend staat als de glasovergang te kwantificeren. Deze overgang speelt een cruciale rol op tal van gebieden, waaronder biomedische cryopreservatie, medicijnsynthese, fabricage van elektronische apparaten en weefseltechnologie om maar een paar voorbeelden te noemen. Het werk kan ook implicaties hebben voor zonnecellen, die vaak een coating van patroonglas hebben.

Ondanks de alomtegenwoordige aard van glas in moderne technologie en ons dagelijks leven, begrijpen we het niet helemaal. Hoewel glazen solide lijken, is hun structuur zeer ongeordend, dus worden ze soms beschouwd als vloeistoffen met een extreem hoge viscositeit. Andere mysteries hebben betrekking op hoe vloeistoffen afkoelen en veranderen in glazen, en vice versa wanneer een glas wordt verwarmd totdat het gesmolten is. Is deze glasovergang een aparte thermodynamische toestand? Of is glas gewoon een vloeistof die onderkoeld is, dat wil zeggen een vloeistof die zijn vloeibare eigenschappen behoudt ondanks dat hij tot onder het vriespunt is afgekoeld?

Vergelijkbaar met kristallijne vaste stoffen

Om deze en andere onbeantwoorde vragen te beantwoorden, hebben onderzoekers van de Universitat Autònoma de Barcelona (UB), de Catalaans Instituut voor Nanowetenschap en Nanotechnologie (ICN2), de Polytechnische universiteit van Catalonië (UPC) en de Instituto de Microelectronica de Barcelona (IMB-CNM) ontwikkelde een microscopietechniek om direct te observeren wat er gebeurt als een ultrastabiel organisch glas wordt verwarmd tot boven de glasovergangstemperatuur. Dit "ontspanning" -proces verandert het in een vloeistof.

De onderzoekers kozen ervoor om een ​​organisch glas met de chemische naam te gebruiken N,N′-bis(3-methylfenyl)-N,N′-difenylbenzidinem omdat het overgaat naar een onderkoelde vloeibare toestand op een manier die vergelijkbaar is met die van kristallijne vaste stoffen. Bij dit type overgang vormen zich kleine gebieden met vloeibare fase die vervolgens geleidelijk groter worden. Dit in tegenstelling tot conventionele glazen, die overgaan naar de vloeibare toestand door het hele volume van hun structuur zonder duidelijke scheidingen tussen verschillende gebieden.

Vloeistofvorming vindt plaats op lokale gebieden op nanoschaal

Het Barcelona-team had dit proces eerder indirect geobserveerd met behulp van nanocalorimetrie, een techniek die het mogelijk maakt om de warmtecapaciteit in dunne materiaalfilms te meten. In het nieuwe werk, dat wordt beschreven in Natuurfysica, presenteren de onderzoekers een manier om het direct waar te nemen.

Om dit te doen, plaatsten ze het organische glas tussen twee lagen van een stijver glas met een hogere smelttemperatuur. Toen ze de organische glaslaag verhitten tot boven de glasovergangstemperatuur, zorgde de mechanische spanning in de verzachte onderkoelde vloeistofgebieden ervoor dat de buitenste glaslagen vervormden dankzij het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen de glasachtige lagen en het siliciumsubstraat waarop de glas wordt gevormd. Deze vervorming, die zich manifesteert als bultjes, rimpels en richels van nanoformaat die geleidelijk groter worden, kan worden waargenomen met een atoomkrachtmicroscoop (AFM).

"Aangezien de vorming van de vloeistof plaatsvindt op lokale gebieden op nanoschaal, is de oppervlaktegolving die we hebben waargenomen ook lokaal en direct verbonden met de onderkoelde vloeistof eronder", concluderen de leiders van het onderzoeksteam. Javier Rodríguez-Viejo en Cristian Rodriguez-Tinoco uitleggen. "De techniek stelt ons in staat om spatio-temporele kaarten te bouwen van de transformatie van een dunne filmglas in zijn onderkoelde vloeistof door direct de afstanden te meten tussen de vloeistofdomeinen die verschijnen. Dit proces is realtime te volgen.”

Een nieuw venster op 'slim' glas

Rodriguez-Viejo voegt eraan toe dat de glasovergang die ze waarnamen zeer heterogeen bleek te zijn, met grote vlakten tussen de opkomende vloeistofgebieden. "Dit betekent dat het glas niet in één keer over het hele volume transformeert in de onderkoelde vloeistof, zoals we mogen verwachten voor een conventioneel, vloeistofgekoeld glas, maar transformeert in een tijdsperiode die een miljoen keer langzamer is", legt hij uit. "Inderdaad, het proces dat we hebben waargenomen, bootst op de een of andere manier een nucleatie- en groeimechanisme na zoals dat optreedt tijdens de vorming van een kristallijne fase in een glas of het smelten van een polykristal."

Het team wil nu de glasovergang op kleinere lengteschalen en over kortere tijdsperioden bestuderen, iets waarvoor leden mogelijk nieuwe AFM-procedures en -protocollen moeten ontwikkelen. Op de langere termijn zegt Rodriguez-Tinoco dat bevindingen uit het onderzoek kunnen helpen bij het verbeteren van industriële methoden voor glaspatroonvorming, die worden gebruikt om optische coatings te maken en om oppervlakteruwheid te beheersen op een manier die de lichtopbrengst in organische zonnecellen verbetert.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• ChartPrime. Verhoog uw handelsspel met ChartPrime. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/physicists-make-first-direct-observations-of-a-glass-relaxing-into-a-supercooled-liquid/