info@wetenschapsnet.com

Ideaal Glas Kan Uitleggen Waarom Glas Überhaupt Bestaat

Wetenschap is voor iedereen

Ideaal Glas Kan Uitleggen Waarom Glas Überhaupt Bestaat

Glas is alles dat zo stijf is als een kristal, maar toch is gemaakt van ongeordende moleculen zoals een vloeistof. Om te begrijpen waarom het bestaat, proberen onderzoekers het perfecte, nog steeds hypothetische ‘ideale glas’ te creëren.

In 2008 las Miguel Ramos in de krant dat 110 miljoen jaar oude barnsteen met ongerepte Mesozoïsche insecten was ontdekt op een paar uur rijden van Madrid, waar hij woonde. Ramos, een natuurkundige die gespecialiseerd is in glas, wilde al jaren oude barnsteen in handen krijgen. Hij nam contact op met de paleontologen die op de locatie werkten en nodigde hem uit voor een bezoek.

‘Ze hebben me de duidelijke monsters gegeven die niet goed voor ze zijn’, zei hij. ‘Ze hebben geen interessante insecten of wat dan ook, maar ze zijn perfect voor mij.’

Ramos werkte de volgende jaren met tussenpozen aan metingen van het oude glas. Hij hoopte dat de fossiele boomhars, na zo lang verouderen, een hypothetische vorm van materie zou kunnen benaderen die bekend staat als ideaal glas.

Al tientallen jaren dromen natuurkundigen van deze perfecte amorfe vaste stof. Ze verlangen niet zozeer naar het ideale glas omwille van zichzelf (hoewel het unieke, nuttige eigenschappen zou hebben), maar omdat het bestaan ​​ervan een diep mysterie zou oplossen. Het is het mysterie van elk raam en elke spiegel, elk stuk plastic en hard snoep, en zelfs het cytoplasma dat elke cel vult. Al deze materialen zijn technisch gezien glas, want glas is alles dat stevig en stijf is, maar gemaakt van ongeordende moleculen zoals die in een vloeistof. Glas is een vloeistof in zwevende animatie, een vloeistof waarvan de moleculen merkwaardig genoeg niet kunnen stromen. Ideaal glas, als het bestaat, zou ons vertellen waarom.

Onhandig zou zijn dat het ideale glas zo lang duurt om te vormen dat het in de hele kosmische geschiedenis misschien niet is gebeurd. Natuurkundigen kunnen alleen indirect bewijs zoeken dat, gezien de onbeperkte tijd, dat wel het geval zou zijn. Ramos, een experimenteel fysicus aan de Autonome Universiteit van Madrid, hoopte dat de Spaanse barnsteen na 110 miljoen jaar veroudering misschien een glimp van perfectie begon te vertonen. Als dat zo is, zou hij weten wat de moleculen in gewoon glas echt doen als ze niets lijken te doen.

De amberkleurige metingen van Ramos maken deel uit van een golf van interesse in ideaal glas. De afgelopen jaren hebben nieuwe methoden voor het maken en simuleren van glas op computers tot onverwachte vooruitgang geleid. Er zijn belangrijke aanwijzingen naar voren gekomen over de aard van ideaal glas en de verbinding ervan met gewoon glas. “Deze studies bieden hernieuwde ondersteuning voor de hypothese van het bestaan ​​van een toestand van ideaal glas”, zegt Ludovic Berthier, een fysicus aan de Universiteit van Montpellier die centraal betrokken was bij de recente computersimulaties.

Maar het opkomende beeld van ideaal glas heeft alleen zin als we één bewijsstuk opzijzetten.

‘Inderdaad,’ zei Berthier, ‘valt het barnsteenwerk op als moeilijk te rationaliseren.’

De Paradox Van Glas

Wanneer je een vloeistof afkoelt, kristalliseert het uit of hardt het uit tot glas. Welke van de twee gebeurt, hangt af van de inhoud en van de subtiliteiten van het proces dat glasblazers gedurende duizenden jaren met vallen en opstaan ​​hebben geleerd. “Kristallisatie vermijden is een donkere kunst”, zegt Paddy Royall, glasfysicus aan de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk.

De twee opties verschillen enorm.

Kristallisatie is een dramatische omschakeling van de vloeibare fase, waarin moleculen ongeordend en vrij stromend zijn, naar de kristalfase, waarin moleculen vastzitten in een regelmatig, herhalend patroon. Water bevriest bijvoorbeeld in ijs bij nul graden Celsius, omdat de H2O-moleculen bij die temperatuur net genoeg rondschommelen om elkaars krachten te voelen en in de val te trappen.

Andere vloeistoffen worden bij afkoeling gemakkelijker glas. Silica, bijvoorbeeld vensterglas, begint als een gesmolten vloeistof ver boven de 1000 graden Celsius; naarmate het afkoelt, trekken de ongeordende moleculen iets samen en verdringen ze zich wat dichter bij elkaar, waardoor de vloeistof steeds stroperiger wordt. Uiteindelijk stoppen de moleculen helemaal met bewegen. In deze geleidelijke glasovergang reorganiseren de moleculen niet. Ze komen gewoon tot stilstand.

Waarom de koelvloeistof hard wordt, blijft onbekend. Als de moleculen in glas gewoon te koud waren om te stromen, zou het nog steeds mogelijk moeten zijn om ze in nieuwe arrangementen te persen. Maar glas squisht niet; de door elkaar gegooide moleculen zijn echt stijf, ondanks dat ze er hetzelfde uitzien als moleculen in een vloeistof. “Vloeistof en glas hebben dezelfde structuur, maar gedragen zich anders”, zegt Camille Scalliet, een glastheoreticus aan de Universiteit van Cambridge. ‘Dat is de belangrijkste vraag.’

Een aanwijzing kwam in 1948, toen een jonge scheikundige genaamd Walter Kauzmann opmerkte wat bekend werd als de entropiecrisis, een glazige paradox waarvan latere onderzoekers zich realiseerden dat ideaal glas zou kunnen oplossen.

Kauzmann wist dat hoe langzamer je een vloeistof afkoelt, hoe meer je hem kunt koelen voordat hij overgaat in glas. En langzamer gevormd glas wordt dichter en stabieler, omdat de moleculen langer moesten rondschuiven (terwijl de vloeistof nog steeds viskeus was) en strakkere, energiezuinige arrangementen vonden. Metingen gaven een overeenkomstige vermindering van de entropie of stoornis van het langzamer gevormde glas aan – minder manieren waarop de moleculen met dezelfde lage energie konden worden gerangschikt.

Kauzmann extrapoleerde de trend en realiseerde zich dat als je een vloeistof langzaam genoeg kon afkoelen, je hem helemaal kon afkoelen tot een temperatuur die nu bekend staat als de Kauzmann-temperatuur voordat hij volledig uitgehard was. Bij die temperatuur zou het resulterende glas een entropie hebben die zo laag is als die van een kristal. Maar kristallen zijn nette, ordelijke structuren. Hoe kan glas, per definitie ongeordend, een gelijke orde hebben?

Geen gewoon glas kon dat, wat betekende dat er iets speciaals moest gebeuren bij de Kauzmann-temperatuur. Crisis zou worden voorkomen als een vloeistof bij het bereiken van die temperatuur de ideale glastoestand zou bereiken: de dichtst mogelijk willekeurig rooster van moleculen. Zo’n toestand vertonen, waarbij elk molecuul de positie van elkaar voelt en beïnvloedt, zodat ze, om te kunnen bewegen, als één moeten bewegen. De verborgen langeafstandsvolgorde van deze vermeende toestand zou de meer voor de hand liggende ordelijkheid van een kristal kunnen evenaren. “Die waarneming was de kern van waarom mensen dachten dat er een ideaal glas moest zijn”, zegt Mark Ediger, een chemisch fysicus aan de Universiteit van Wisconsin, Madison.

Volgens deze theorie, voor het eerst ontwikkeld door Julian Gibbs en Edmund DiMarzio in 1958, is ideaal glas een echte fase van materie, verwant aan de vloeibare en kristalfasen. De overgang naar deze fase duurt gewoon te lang en vereist een te traag koelproces dat wetenschappers ooit kunnen zien. De overgang van ideaal glas is ‘gemaskeerd’, zei Daniel Stein, een fysicus van gecondenseerde materie aan de New York University, doordat de vloeistof ‘zo stroperig wordt dat alles wordt tegengehouden’.

‘Het is net alsof je donker door een glas kijkt,’ zei Stein. “We kunnen niet bij [ideaal glas] komen of het zien. Maar we kunnen theoretisch proberen nauwkeurige modellen te maken van wat daar gebeurt.”

Een Nieuw Glas

Onverwachte hulp kwam van experimenten. Er was nooit enige hoop op het vormen van ideaal glas door een vloeistof af te koelen, de methode voor het maken van glas die mensen al duizenden jaren gebruiken. Je moet een vloeistof onmogelijk langzaam afkoelen – misschien zelfs oneindig langzaam – om te voorkomen dat deze uithardt voordat hij de Kauzmann-temperatuur bereikt. Maar in 2007 ontwikkelde Ediger, de natuurkundige uit Wisconsin, een nieuwe methode voor het maken van glas. “We kwamen erachter dat er een andere manier was om glazen te maken met een hoge dichtheid en die dicht bij de ideale glasstand staan ​​via een compleet andere route”, zei hij.

Ediger en zijn team ontdekten dat ze een ‘ultrastabiele bril’ konden maken die in een toestand tussen gewoon en ideaal staat. Met behulp van een methode die dampafzetting wordt genoemd, lieten ze moleculen één voor één op een oppervlak vallen alsof ze Tetris speelden, waardoor elk molecuul in zijn nauwste vorm in het vormende glas kon zakken voordat het volgende molecuul naar beneden kwam. Het resulterende glas was dichter, stabieler en lager in entropie dan alle glazen in de menselijke geschiedenis. ‘Deze materialen hebben de eigenschappen die je zou verwachten als je een vloeistof zou nemen en deze gedurende een miljoen jaar zou koelen’, zei Ediger.

Een andere eigenschap van ultrastabiel glas zou uiteindelijk de meest veelbelovende routekaart naar ideaal glas onthullen.

Twee groepen, een van hen onder leiding van Miguel Ramos in Madrid, identificeerden dat pand in 2014, toen ze ontdekten dat ultrastabiel glas afwijkt van een universeel kenmerk van al het gewone glas.

Natuurkundigen weten al decennia dat ultrakoud glas een hoge warmtecapaciteit heeft – de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur te verhogen. Glas kan meer warmte opnemen dan een kristal in de buurt van het absolute nulpunt, met een warmtecapaciteit die recht evenredig is met de temperatuur.

Theoretici, waaronder Phil Anderson, de gerespecteerde Nobelprijswinnende fysicus van de gecondenseerde materie, stelden begin jaren zeventig een verklaring voor. Ze voerden aan dat glas veel ‘systemen met twee niveaus’ bevat, kleine clusters van atomen of moleculen die heen en weer kunnen glijden tussen twee alternatieve, even stabiele configuraties. “Je kunt je een heleboel atomen voorstellen die van de ene configuratie naar de iets andere configuratie overgaan”, zegt Frances Hellman van de University of California, Berkeley, “die gewoon niet bestaat in een kristallijn materiaal.”

Hoewel de atomen of moleculen door hun buren te veel zijn ingesloten om zelf veel te schakelen, activeert warmte bij kamertemperatuur de systemen op twee niveaus, waardoor de atomen de energie krijgen die ze nodig hebben om rond te schuifelen. Deze activiteit neemt af naarmate de temperatuur van het glas daalt. Maar nabij het absolute nulpunt worden kwantumeffecten belangrijk: groepen atomen in het glas kunnen kwantummechanisch tussen de alternatieve configuraties ‘tunnelen’, dwars door obstakels heen gaan en zelfs beide niveaus van het systeem met twee niveaus tegelijk innemen. De tunneling neemt veel warmte op en produceert de karakteristieke hoge warmtecapaciteit van glas.

Enkele jaren nadat Ediger had bedacht hoe hij ultrastabiel glas kon maken, ging Hellman’s groep in Berkeley en Ramos ‘in Madrid onafhankelijk onderzoeken of het zou kunnen afwijken van die universele warmtecapaciteit in de buurt van het absolute nulpunt. In hun respectievelijke experimenten hebben ze de eigenschappen bij lage temperatuur onderzocht van ultrastabiel silicium en ultrastabiel indomethacine (een chemische stof die ook wordt gebruikt als ontstekingsremmend medicijn). En inderdaad, ze ontdekten dat beide glazen een veel lagere warmtecapaciteit hadden dan normaal in de buurt van het absolute nulpunt, in lijn met die van een kristal. Dit suggereerde dat ultrastabiel glas minder systemen met twee niveaus heeft om tussen te tunnelen. De moleculen bevinden zich in bijzonder knusse configuraties met weinig concurrenten.

Als de uitzonderlijk lage warmtecapaciteit van ultrastabiel glas echt afkomstig is van minder systemen met twee niveaus, dan komt ideaal glas van nature overeen met de staat zonder systemen met twee niveaus. “Het is op de een of andere manier gewoon perfect geplaatst waar alle atomen ongeordend zijn – het heeft geen kristalstructuur – maar er beweegt helemaal niets”, zegt David Reichman, een theoreticus aan de Columbia University.

Bovendien zou de drang naar deze toestand van perfecte lange-afstands amorfe orde, waarbij elk molecuul de posities van alle andere beïnvloedt, de oorzaak kunnen zijn dat vloeistoffen verharden in het glas dat we overal om ons heen zien (en doorzien).

In dit opkomende beeld, wanneer een vloeistof een glas wordt, probeert het eigenlijk over te gaan naar de ideale glasfase, getrokken door een fundamentele aantrekkingskracht op de lange afstand. Het ideale glas is het eindpunt, zei Royall, maar als de moleculen dichter bij elkaar proberen te komen, komen ze vast te zitten; de toenemende viscositeit verhindert dat het systeem ooit de gewenste toestand bereikt.

Onlangs zijn baanbrekende computersimulaties gebruikt om deze ideeën te testen. Het simuleren van ultrastabiel glas op een computer was vroeger onhaalbaar vanwege de buitengewone rekentijd die de gesimuleerde moleculen nodig hadden om samen te dringen. Twee jaar geleden vond Berthier echter een truc waarmee hij het proces met een factor 1 biljoen kon versnellen. Zijn algoritme kiest willekeurig twee deeltjes en verwisselt hun posities. Deze shake-ups helpen de gesimuleerde vloeistof los te laten, waardoor moleculen zich kunnen nestelen in nauwsluitende passies – net zoals de mogelijkheid om twee slecht passende vormen te wisselen in Tetris zou helpen.

In een paper dat wordt beoordeeld voor publicatie in Physical Review Letters, Berthier, Scalliet, Reichman en twee co-auteurs meldden dat hoe stabieler het gesimuleerde glas is, hoe minder systemen op twee niveaus het heeft. Net als bij de warmtecapaciteitsmetingen van Hellman en Ramos, suggereren de computersimulaties dat systemen op twee niveaus – concurrerende configuraties van groepen moleculen – de bron zijn van de entropie van glas. Hoe minder van deze alternatieve toestanden er zijn, hoe meer stabiliteit en orde op lange afstand een amorfe vaste stof heeft en hoe dichter deze bij ideaal komt.

De theoretici Vassiliy Lubchenko van de Universiteit van Houston en Peter Wolynes van Rice University suggereerden in 2007 dat ideaal glas geen systemen met twee niveaus zou moeten hebben. “Ik ben best tevreden met het resultaat van Berthier”, zei Wolynes per e-mail.

De Barnsteen Abnormaliteit.

Maar dan is er die barnsteen.

Ramos en zijn medewerkers publiceerden hun vergelijkingen van oude en “verjongde” monsters van het gele glas in Physical Review Letters in 2014. Ze ontdekten dat de 110 miljoen jaar oude barnsteen ongeveer 2% dichter was gegroeid, in overeenstemming met ultrastabiel glas. Dit zou moeten suggereren dat de barnsteen inderdaad in de loop van de tijd was gestabiliseerd, omdat kleine groepen moleculen één voor één in laag-energetische arrangementen gleden.

Maar toen het team van Madrid het oude glas bijna tot het absolute nulpunt koelde en de warmtecapaciteit ervan mat, vertelden de resultaten een ander verhaal. Het verouderde barnsteen had dezelfde hoge warmtecapaciteit als nieuw barnsteen – en al het andere gewone glas. De moleculen leken te tunnelen tussen net zoveel systemen op twee niveaus als gewoonlijk.

Waarom is het aantal systemen met twee niveaus in de loop van de tijd niet gedaald naarmate de amber stabiliseerde en dichter werd? De bevindingen kloppen niet.

“Ik hou echt van de experimenten met barnsteen, maar het maken van een barnsteenglas is een soort rommelig proces”, zegt Ediger, de bedenker van de dampafzettingsmethode. “Het is in feite boomsap dat in de loop van de tijd chemisch verandert en stolt, maar ook ouder wordt.” Hij denkt dat onzuiverheden in de Spaanse barnsteen de metingen van de warmtecapaciteit hebben bezoedeld.

Onderzoekers zijn van plan verdere experimenten te doen met amber, evenals met laboratorium gemaakt en gesimuleerd glas, in de hoop meer details van systemen op twee niveaus te ontdekken en dichter bij de vermeende ideale staat te komen. Reichman merkte op dat het nooit mogelijk zal zijn het bestaan ​​ervan met volledige zekerheid te bewijzen. ‘Misschien zullen we op een dag, tenminste op de computer, weten hoe we deeltjes precies moeten verpakken op een manier die het ideale glas is waarnaar we op zoek zijn’, zei hij. ‘Maar dan zouden we heel lang moeten wachten – te lang – om te zien of het stabiel blijft.’

Deel dit bericht:

Tags: , , , , , , , , , ,

nl_NLDutch
en_GBEnglish nl_NLDutch