Dissektering af kolloidale briller ved hjælp af laser som lancet

Bo Li og Kai Kou, Research Fellows fra IBS Center for Soft and Living Matter, sammen med Walter Kob, Professor ved universitetet i Montpellier og Institut Universitaire de France, og Steve Granick, Direktør for IBS Center for Soft and Living Matter, rapportere sammen i Natur at begyndelsen af ​​glasovergangen er en meget ikke-triviel proces, der involverer komplekse ikke-lineære svar.

Som et stof, der giver bemærkelsesværdige impulser til både bekvemmeligheden i vores daglige liv og fremskridt inden for moderne videnskab og teknologi, briller puslespil os, imidlertid, på det grundlæggende videnskabelige niveau. "Briller ser meget trinvis undersøgelse, men sjældent et gennembrud, uanset bestræbelser fra generationer af forskere, "kommenterede Granick.

Den rapporterede ikke-monotone dynamiske længdeskala, der toppede ved begyndelsestemperaturen, undergraver den udbredte forståelse af, at burdannelse er en simpel krydsning mellem væske og glas. "Et centralt spørgsmål inden for glasvidenskab er burdannelsesprocessen, der giver de glasagtige materialer deres unikke optiske og mekaniske egenskaber, "sagde Kob.

"Og vi ramte problemet direkte ved lokalt at spændende et kolloidalt glas ved hjælp af laserstråler, "sagde Li.

Fremkomsten af ​​den ikke-monotone længdeskala skyldes opbygningen af ​​domæner med kooperativ dynamik, der bliver mere og mere stiv og begynder at dominere partikeldynamikken. "Ligesom maleriet af Seurat, mosaikken af ​​de dynamiske korn og burdannelsen er direkte relateret til sammenlægningen af ​​dem, «siger Kob.

"Videnskabens skønhed her er, at vi er i stand til at se, hvordan glas spirer fra væskerne mikroskopisk, "Sagde Li.

Det enkle fysiske billede af den forbedrede kooperative dynamik for det ikke-monotone svar tyder på, at fundet bør være generelt. Kob sagde, "Det er fantastisk, at den fysiske regel bag så rig dynamik er så kortfattet."

Li tilføjer, "Vores fund i et veldefineret modelsystem vil hjælpe med bedre at forstå andre glasagtige eller uordnede systemer som polymer, granulære og atomare glas, etc."

Ud over den ikke-monotoniske adfærd, en skaleringsforhold mellem morfologien og størrelsen af ​​excitationsmønsteret ekstraheres baseret på en enorm mængde eksperimentelle data. "Afvigelsen af ​​denne relation afspejler graden af ​​et materiales heterogenitet under visse betingelser, "sagde Li. Granick bemærkede, "Denne skaleringslov, udover dens teoretiske betydning for fysikere, vil også interessere kemikere og materialeforskere ved at tilbyde dem en 'lineal', der guider design og syntese af glasmaterialer. "

Udover at oplyse det første trin i glasovergangen, dette proof-of-concept eksperiment baner vejen for den grundlæggende forståelse af briller i sidste ende. "Brug af laser som lancet, en glasprøve kan præcist anatomiseres, "sagde Granick.

"Flere og flere eksotiske, men forvirrende adfærd i glas vil blive vurderet på denne måde, "forudsagde Kob.

Dette arbejde er motiveret af de mangeårige udfordringer inden for glasvidenskab. Den træg og stærkt koblede dynamik begraver altid nøgleeffekten. "Hvis jeg bare kunne krympe mig selv, spring ind i systemet og rør rundt i omgivelserne, "Sagde Li. Det femtosekundige holografiske lasersystem, der oprindeligt blev udviklet af Kou, opfylder perfekt behovene for den lokale excitation. Værdifuld teoretisk støtte opnås fra Kob til at forfine de komplekse eksperimentelle observationer til koncise fysiske principper." Det stærkt tværfaglige miljø i vores center og succesfuldt internationalt samarbejde gør en engang usandsynlig brainstorm til virkelighed, "kommenterede Granick.

Granick og Kob konkluderede, "Glasvidenskabens område, at være klassisk, men konstant udfordrende, fremmes af disse eksperimenter, der belyser begyndelsen af ​​glasovergang. Den konceptuelle betydning af burdannelse for egenskaberne af glasagtige materialer afsløres. Og den mikro-reologiske tilgang, der er valgt her, åbner døren for en grundig forståelse af brillerne en dag. "