Devitrifikation demystificeret:Forskere viser, hvordan glas krystalliserer i realtid

Glas er amorft i naturen - dets atomstruktur involverer ikke det gentagne arrangement, der ses i krystallinske materialer. Men af ​​og til, den gennemgår en proces kaldet devitrifikation, som er omdannelsen af ​​et glas til en krystal - ofte en uønsket proces i industrier. Devitrifikationsdynamikken forbliver dårligt forstået, fordi processen kan være ekstremt langsom, strækker sig over årtier eller mere.

Nu, et team af forskere under ledelse af Rajesh Ganapathy, Lektor ved Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research (JNCASR), i samarbejde med Ajay Sood, DST Year of Science Chair og professor ved Indian Institute of Science (IISc), og deres ph.d. studerende Divya Ganapathi (IISc) har visualiseret devitrifikation for første gang i eksperimenter. Resultaterne af denne undersøgelse er blevet offentliggjort i Naturfysik .

"Tricket var at arbejde med et glas lavet af kolloide partikler. Da hver kolloid partikel kan betragtes som en erstatning for et enkelt atom, men er ti tusinde gange større end atomet, dens dynamik kan ses i realtid med et optisk mikroskop. Også, For at fremskynde processen justerede vi interaktionen mellem partikler, så det er blødt og omlejringer i glasset forekommer ofte, "siger Divya Ganapathi.

For at lave et glas, Divya Ganapathi og teamet satte kolloiderne sammen for at nå høje tætheder. Forskerne observerede forskellige områder af glasset efter to krystalliseringsveje:en lavine-medieret rute, der involverer hurtige omlægninger i strukturen, og en jævn vækstvej med omlægninger, der gradvist sker over tid.

For at få indsigt i disse fund, forskerne brugte derefter maskinindlæringsmetoder til at afgøre, om der var en subtil strukturel egenskab gemt i glasset apriori bestemmer, hvilke regioner der senere ville krystallisere sig og gennem hvilken rute. På trods af at glasset er uordentligt, maskinindlæringsmodellen var i stand til at identificere et strukturelt træk kaldet "blødhed", der tidligere var fundet at afgøre, hvilke partikler i glasset omarrangerer, og hvilke der ikke gør det.

Forskerne fandt derefter ud af, at områder i glasset, der havde partikelhobe med store "blødhed" -værdier, var dem, der krystalliserede, og at "blødhed" også var følsom over for krystallisationsruten. Måske var det mest slående fund fra undersøgelsen, at forfatterne fodrede deres maskinindlæringsmodel med billeder af et kolloidalt glas, og modellen forudsagde nøjagtigt de regioner, der krystalliserede dage i forvejen. "Dette baner vejen for en kraftfuld teknik til at identificere og indstille 'blødhed' i god tid og undgå devitrifikation, "siger Ajay Sood.

Forståelse af devitrifikation er afgørende på områder som medicinalindustrien, som stræber efter at producere stabile amorfe lægemidler, da de opløses hurtigere i kroppen end deres krystallinske modstykker. Selv flydende atomaffald er forglasset som et fast stof i en glasmatrix for sikkert at bortskaffe det dybt under jorden og forhindre, at farlige materialer lækker ud i miljøet.

Forfatterne mener, at denne undersøgelse er et vigtigt skridt fremad i forståelsen af ​​sammenhængen mellem den underliggende struktur og glasets stabilitet. "Det er virkelig fedt, at en maskinlæringsalgoritme kan forudsige, hvor glasset skal krystallisere, og hvor det skal forblive glasagtigt. Dette kan være det første trin til at designe mere stabile briller som gorillaglasset på mobiltelefoner, som er allestedsnærværende i moderne teknologi, "siger Rajesh Ganapathy. Evnen til at manipulere strukturelle parametre kan indlede nye måder at realisere teknologisk betydelige langlivede glasagtige tilstande på.