Forskere opdager en overraskende egenskab ved glasoverflader

Forskere ved University of Pennsylvania har udviklet en ny teknik til at studere overfladen af ​​forskellige typer glas. Ved hjælp af denne teknik, de opdagede en overraskende egenskab ved det øverste lag glas, som kunne bane vejen til at udvikle bedre glasmaterialer.

Undersøgelsen blev ledet af Yue Zhang, en kandidatstuderende ved Institut for Kemi på Penn's School of Arts &Sciences, og Zahra Fakhraai, adjunkt i kemi. Zhang modtog en APS Padden Award for forskningen, som anerkender ekspertise inden for polymerfysikforskning.

Forskellen mellem krystaller og væsker er, at mens krystaller er ordnet og faste, væsker er forstyrrede og kan bevæge sig rundt for at fylde den beholder, de er i. Men hvis man skulle afkøle en væske tilstrækkeligt, den ville forblive uorden, mens bevægelsen af ​​dens molekyler ville bremse så meget, at den ville virke solid. Sådan dannes amorfe materialer som glas.

Honning, for eksempel, er en væske, men når det er på køl, bliver dets egenskaber mere som et fast stof.

Penn -forskerne undersøgte, hvordan grænseflader eller overflader, grænserne mellem to faser af stof, ville påvirke glassets egenskaber. Ifølge Fakhraai, når en fri overflade introduceres til materialet, bevægelsen fremskynder igen, som formerer sig i filmen.

Selvom honningen ville virke solid, molekylerne i top 5 eller 10 nanometer forbliver flydende og bevægelige. Hvis en nål blev sat på overfladen af ​​honningen, det ville dykke og danne en menisk, lader molekylerne bevæge sig rundt, der henviser til, at den samme nål ikke ville have nogen effekt på et fast stof.

I et tidligere papir udgivet i Soft Matter , forskerne skrumpede denne teknik ned til nanometer længde skalaer ved hjælp af en virus som en nål og så overflademolekylerne komme ind og langsomt forsøge at danne en menisk omkring virussen. Mens molekylerne i midten af ​​materialet kan tage millioner af år at flytte, for molekylerne i toppen ville det være mere som et par hundrede sekunder.

"Teknikken, som vi udviklede, er virkelig spændende, fordi der i feltet ikke er mange teknikker til direkte at undersøge overfladebevægelserne, "Sagde Zhang." Vores teknik er meget effektiv og matematisk enkel, og vi kan let udvide det til andre systemer. "

Et af de mest udfordrende aspekter ved at udvikle teknikken, Fakhraai sagde, var ved at finde ud af, at de kunne bruge vira til at undersøge materialerne.

"I et par år forsøgte vi at syntetisere nanoroder, der lignede nåle og var lange og ensartede nok, "sagde hun." Vira er perfekte, fordi de har disse krystallinske strukturer, der er præcis de rigtige dimensioner, vi har brug for. At tænke på virussen som en nanopartikel hjalp os virkelig fremad. "

Ved hjælp af denne teknik, forskerne ønskede at bestemme, hvordan molekylernes bevægelse på den frie overflade er koblet sammen med bevægelsen nedenfor. I særdeleshed, de ville se, om molekylerne på overfladen ville blive påvirket, hvis bevægelsen af ​​molekylerne under dem blev fremskyndet eller bremset.

I et andet tidligere papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , forskerne brugte forskellige deponeringsteknikker til bedre at pakke molekylerne og danne stabile glas. Dette gjorde alt ekstremt langsomt til det punkt, at det ville tage længere tid end universets alder for molekyler i midten at bevæge sig.

I deres seneste papir, offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , de satte fart på alt ved at lave tyndere film, som ville have mere af en fri overflade.

"Baseret på mange forskellige teorier, vi ville have forventet, at bevægelserne i midten og den frie overflade ville være koblet sammen, "Sagde Fakhraai." Eksemplet, jeg kan lide at tage, er, hvis du siger på forsiden af ​​paraden, og du bevæger dig hurtigere, tingene skal følge dig. Men det sker ikke på den måde. Det umiddelbare øverste lag hænger ikke rigtig sammen:Disse molekyler kan bevæge sig uden at påvirke, hvad der sker bag dem. "

Disse resultater, hun sagde, var overraskende. Selvom der var mange forskellige ideer om, hvorvidt denne sammenhæng eksisterer, ingen havde virkelig målt det før. De fandt ud af, at uanset hvilken type bevægelse, molekylerne i toppen og molekylerne i midten har ingen effekt på hinanden.

Forskerne håber at kunne undersøge det andet og tredje lag, hvilket kan være vigtigt i fortætningsprocessen af ​​materialerne under aflejring, som er grundlaget for at lave stabile briller og er af teknologisk betydning. Da molekylerne i det første lag ikke påvirkes af molekylernes bevægelse under dem, bevægelsen af ​​de underliggende lag bliver afgørende i processen.

"Vi tror, ​​at det virkelig er molekylerne i det andet lag og det tredje lag, der deltager i denne fortætningsproces, og molekylerne på den frie overflade er ligesom et hav af frie objekter, der kan give den mobilitet, men ikke nødvendigvis deltage i processen, "Sagde Fakhraai.

De håber også bedre at kunne forstå overgangen fra de hurtigt bevægende partikler ved overfladen til de ekstremt langsomt bevægende molekyler i midten. Folk, der står foran en parade, kan frit bevæge sig rundt, Fakhraai forklarede, men jo dybere du går ind i paraden, bevægelse bliver mere begrænset.

"Spørgsmålet er, hvor dyb effekten er, og hvordan den proces opstår, "Sagde Fakhraai." Hvordan ændrer jeg mig fra noget, der tager 100 sekunder at flytte til noget, der tager milliarder af år? Jeg tror, ​​det er den næste store udfordring på området:at forstå den gradient. "

Ifølge Fakhraai, at undersøge denne proces vil give forskere mulighed for ikke blot bedre at forstå teorier, men at forbedre belægninger på materialer og designe bedre amorfe materialer.

"Vi forstår, hvad der sætter uret midt i filmen, men vi ved ikke, hvad der sætter uret til disse overflademolekyler, "Fakhraai sagde." Jeg tror, ​​det er noget at forstå mere i fremtiden. "