Utrechtse natuurkundigen maken evenwichtsglas van staafvormige deeltjes

Glas lijkt een vaste stof, maar gedraagt zich in theorie soms meer als een extreem trage vloeistof. Utrechtse natuurkundigen laten nu zien dat glasachtige structuren ook in evenwicht kunnen bestaan, wat volgens veel theorieën niet mogelijk is.

De onderkant van middeleeuwse ramen, zoals die van oude kathedralen, is vaak dikker dan de bovenkant. Is het materiaal in de loop der eeuwen langzaam naar beneden gezakt, en betekent dit dat glas stroomt? 

Het is een hardnekkige mythe, en de verklaring ligt in de manier waarop glas in de Middeleeuwen werd geproduceerd. Omdat ramen met de hand werden gemaakt, was de structuur vaak onregelmatig en zaten er dunnere en dikkere stukken in een glasplaat. De ramen werden meestal met de dikste kant naar beneden in een kozijn geplaatst, zodat ze steviger waren. 

Toch raakt het verhaal aan een echt natuurkundig vraagstuk. Of glas vloeibaar of vast is, blijkt moeilijker te beantwoorden dan het lijkt.

Evenwicht

Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben nu een glasachtige toestand gemaakt die in thermodynamisch evenwicht is. Volgens gangbare theorieën zou zo’n toestand eigenlijk niet kunnen bestaan. “Een glas en een evenwichtstoestand sluiten elkaar in veel hoofden uit,” zegt Thijs Besseling, eerste auteur van de studie. 

Chaotische toestand

Over de glasfase bestaat zelfs in de natuurkunde nog veel onduidelijkheid. Glas heeft geen nette interne ordening, zoals een kristal. Tegelijkertijd bewegen de moleculen ook niet vrij door elkaar heen, zoals in een vloeistof. 

In lesboeken wordt glas vaak beschreven als een materiaal dat niet in evenwicht is; een vloeistof die zo snel is afgekoeld dat de atomen vastlopen in een chaotische toestand. En in de natuur zou zo’n toestand niet stabiel moeten zijn, volgens de theorie.

Staafjesglas

De onderzoekers maakten in hun experiment geen regulier glas van atomen, maar ze maakten een modelsysteem van colloïden. Colloïden zijn groter dan atomen, maar vertonen wel vergelijkbare eigenschappen. Door hun grootte kun je colloïden makkelijk onder een microscoop volgen, wat met atomen niet mogelijk is.

Vaak gebruiken onderzoekers bolvormige colloïden, maar deze keer koos het team voor een staafvormige deeltjes. Staafjes kunnen namelijk niet alleen verschuiven, maar ook draaien. Het team creëerde een toestand waarin de posities van de staafjes wanordelijk en ‘bevroren’ zijn, zoals in glas, terwijl de deeltjes nog wel kunnen roteren. Die toestand blijkt energetisch gunstig, wat betekent dat het systeem er vanzelf naar terugkeert.  

Een duwtje met een elektrisch veld

Met een extern elektrisch veld gaven de onderzoekers het staafjesglas tijdelijk een zetje richting een kristalstructuur. Volgens de theorie zou dat een stabielere eindtoestand moeten zijn. Maar zodra ze het veld weer uitzetten, keerde het materiaal terug naar de glasachtige toestand. Hiermee laten ze zien dat het gedrag van dit glas niet is vastgelopen in een soort tussentoestand, maar dat het in evenwicht is.

Toetsen met simulaties

“De claim dat een glas in evenwicht kan zijn, is best controversieel”, legt Besseling uit. Daarom werkten de onderzoekers samen met andere wetenschappers die gespecialiseerd zijn in simulaties, onder leiding van Laura Filion. In computersimulaties zagen ze hetzelfde gedrag terug: ook daar ontstond bij hogere dichtheden geen kristal maar een glasachtige evenwichtstoestand. “We zien het dus in een complex experiment en in een simpel computermodel terug. Dat geeft ons vertrouwen in de resultaten.”

De claim dat een glas in evenwicht kan zijn, is best controversieel

Wat betekent dit voor ‘echt’ glas?

Het onderzoek bewijst niet dat vensterglas ineens in evenwicht is. Atomaire systemen verschillen van colloïdale modelsystemen. Maar het onderzoek laat wel zien dat de vorm van de deeltjes een belangrijke rol kan spelen. Veel moleculen zijn namelijk ook niet perfect bolvormig: sommige hebben een uitgerekte vorm en kunnen roteren. De resultaten suggereren dat die rotaties belangrijk kunnen zijn in de glasovergang, en in veel theorieën komt dat element niet terug. 

Het fundamenteel begrip van de glasovergang zou het mogelijk maken om de eigenschappen en levensduur van niet-geordende materialen nauwkeurig te beschrijven en voorspellen, waardoor materiaalontwikkeling sneller en efficiënter wordt. Dit kan grote impact hebben op de ontwikkeling van bijvoorbeeld batterijen, coatings, biomaterialen en industriële productieprocessen. Dit onderzoek kan ook relevant zijn voor de biologie en geneeskunde, omdat biologische processen zoals celgroei ook glasachtig gedrag laten zien.