Domino-lignende krystallisering af glas

Materialer i en glasagtig tilstand er overalt i vores liv og har bidraget til menneskeheden i mange år. I dag, de spiller en afgørende rolle i forskellige teknologier, herunder optiske fibre. Selvom vi mener, at glas er meget stabilt, det krystalliserer nogle gange, resulterer i tab af gennemsigtighed og isotropi, væsentlige egenskaber ved glas, hvilket har været et betydeligt problem i industrielle applikationer. Årsagen til, at krystallisation forekommer i en fast tilstand med næsten ingen molekylær bevægelse, har været et stort mysterium. Dens forståelse kan bidrage til at forhindre eller optimere krystalvækst ved dyb superkøling.

I en undersøgelse, der for nylig blev offentliggjort i Naturmaterialer , forskere fra Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Fudan Universitet, Peking Universitet, og samarbejdende institutioner har gennemført eksperimentelle og beregningsmæssige undersøgelser af hurtig krystalvækst under dyb superkøling. Deres arbejde giver kritisk indsigt i mekanismen for hurtig krystalvækst ved ultra-lave temperaturer, bidrager til mange teknologiske anvendelser ved at øge glasstabiliteten eller producere krystaller af høj kvalitet.

"Krystalvækst i glas er et kompleks, årtiers gammelt problem. Hvordan forstadiestrukturer overvinder uorden i væskefasen for at arrangere krystaller forbliver kontroversiel, "siger Peng Tan, med senior forfatter.

En nøgle til hurtig krystalvækst afsløret ved simuleringer og eksperimenter er, at fast-væske-grænsefladerne i de afkølede væsker er tykke og ru. Det store kontaktområde mellem bestilte øer og den omgivende uordnede væske hjælper med at bryde lidelsen og letter hurtig krystalvækst.

"Et andet vigtigt resultat er, at den uordnede tilstand iboende er mekanisk ustabil, hvilket fører til en domino-lignende kædereaktion af krystalvækst, "forklarer Hajime Tanaka, med senior forfatter. "Dette lettes af evnen hos de nydannede uperfekt ordnede områder af krystallen til at omorganisere og dermed forhindre ophobning af uorden."

Hvordan kan forskere bruge denne viden? Man kan fremme krystalvækst ved at forbedre en afkølet væskes evne til at udvikle precursorstrukturer og omarrangere sig selv fra suboptimeret bestilling. Tanaka, Tan, Xu, og kolleger er optimistiske med, at forskere vil bruge disse indsigter til at finde ud af, hvilke materialer der udviser de nødvendige egenskaber for forbedret glasstabilitet eller krystaldannelse af høj kvalitet. Med videre udvikling, der er klare applikationer til ultrastabile briller og næsten perfekte krystaller.