Første direkte observation på nanoskala af, hvordan glas omdannes til væske ved stigende temperatur

Forskere fra UAB og ICN2 har udviklet en metode, der gør det muligt for første gang at observere under mikroskop i realtid, hvad der sker, når glas opvarmes og skifter til en underafkølet væskefase, kendt som "glasovergangen". " Forskningen, offentliggjort i Nature Physics , er af stor betydning for kryokonservering af proteiner, celler og levende væv, til fremstilling af lægemidler og elektronisk udstyr og for vævsteknologi, hvor denne glas-til-væske-overgang spiller en nøglerolle.

Glas er et fast materiale med en så uordnet struktur, at det kan betragtes som en væske med ekstraordinært høj viskositet. Det findes i gennemsigtige og farvede glasvinduer, i tv-skærme og mobile enheder, i fiberoptik, i industrielle plastmaterialer og også i tilstanden af ​​proteiner, cellulære strukturer og levende væv, når de er frosset til kryokonservering.

På trods af at det er så almindeligt, er det meget svært at udvikle teorier og modeller, der kan forklare deres adfærd i detaljer. De mekanismer, hvorved en væske afkøles og omdannes til et glas, og omvendt, hvordan et glas omdannes til en væske, når det opvarmes, noget kendt som "glasovergang", er stadig ikke fuldt ud forstået.

Fysikere er stadig ikke sikre på, om dette er en faseovergang, og glas kan betragtes som en termodynamisk tilstand adskilt fra den flydende og faste tilstand; eller om glas blot er en underafkølet væske - afkølet til under frysepunktet, men bevarer flydende egenskaber - hvis atomer eller molekyler har meget lidt mobilitet. En af de største vanskeligheder ved at forstå denne proces ligger i udfordringerne ved at visualisere den gennem mikroskopet med tilstrækkelig opløsning, da strukturerne af den underafkølede væske og glas praktisk talt ikke kan skelnes.

Et hold ledet af forskere fra Institut for Fysik ved Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) og Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), med involvering af UPC og IMB-CNM-CSIC, har præsenteret en ny metode der gør det muligt at observere direkte under mikroskopet, hvad der sker i et glas, når det opvarmes til over glasovergangstemperaturen, kendt som "afslapningsprocessen", der omdanner det til en væske.

Forskere arbejdede med ultrastabilt organisk glas, som fremstilles via termisk fordampning. De er tættere og udviser højere kinetisk og termodynamisk stabilitet end konventionelt glas opnået direkte fra væsker. I modsætning til konventionelt glas, der som hidtil set omdannes til flydende tilstand globalt, uden klare skel mellem forskellige områder af materialet, overgår dette ultrastabile glas til en underafkølet flydende tilstand på samme måde som krystallinske faste stoffer gør, når de overgår til den flydende tilstand, med dannelsen af ​​væskefaseområder, der vokser sig gradvist større.

Dette er en proces, der allerede blev beskrevet indirekte ved nanokalorimetrimålinger og kun blev observeret i beregningsmodeller. "Tidligere var det allerede blevet udledt af disse modeller, at de væskefaseområder, der produceres, har en ekstraordinær adskillelse mellem dem, når det kommer til ultrastabilt glas, men det var aldrig blevet observeret direkte," siger Cristian Rodriguez Tinoco, forsker ved UAB og ICN2.

Den nye metode, der er udviklet til at observere denne overgang, består i at klemme det ultrastabile glas mellem to lag glas med en højere overgangstemperatur. Når det ultrastabile glaslag opvarmes over dets overgangstemperatur, overføres de ustabiliteter, der opstår på overfladen, til de ydre lag af sandwichen og kan observeres direkte med et atomkraftmikroskop.

"Det er meget små bevægelser og kompressioner i størrelsesordenen nogle få nanometer, når transformationen begynder, men store nok til at blive målt præcist med et mikroskop af denne type, som in situ overvåger de overfladedeformationer, der opstår over overgangstemperaturen." forklarer ph.d. studerende Marta Ruiz Ruiz.

Arbejdet gør det muligt at følge afglasningen af ​​glasset i realtid. Det gør det muligt at kvantificere dynamikken i afslapningsprocessen i ultrastabile krystaller mod en superafkølet væske ved direkte at måle afstandene mellem de væskedomæner, der opstår, mens man observerer deformationen af ​​overfladen og dens udvikling over tid. På denne måde var det muligt at bekræfte, hvordan disse afstande mellem væskeområder er ekstraordinært store i denne type glas, og korrelationen af ​​disse afstande med materialets tidsskalaer, som forudsagt af beregningsmodeller.

"Den mikroskopiske beskrivelse, vi har opnået, har for første gang muliggjort en direkte sammenligning mellem beregningsmodeller og den fysiske virkelighed. Vi mener, at denne teknik også vil være meget nyttig til at udforske glasovergangen på mindre tids- og rumskalaer, hvilket vil muliggøre en bedre forståelse af overgangen i mindre stabilt glas fremstillet af afkølede væsker," konkluderer Javier Rodríguez Viejo, forsker ved UAB og ICN2.

Flere oplysninger: Marta Ruiz-Ruiz et al., Realtidsmikroskopi af afslapning af et glas, Naturfysik (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02125-0

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Autonomous University of Barcelona