TU/e-promovendus heeft verklaring voor vastlopende vloeistoffen

Waarom wordt een vloeistof bij afkoeling uiteindelijk glas, terwijl er op microscopisch niveau nauwelijks een duidelijke verandering in de structuur zichtbaar is? Onderzoek aan de TU Eindhoven probeert nogmaals dit natuurkundige vraagstuk op te lossen. Promovendus Corentin Laudicina ontwikkelde een model dat beter beschrijft hoe de beweging van deeltjes verandert wanneer een vloeistof de glasfase nadert.

Bij een gewone faseovergang, zoals water dat bevriest, rangschikken moleculen zich in een geordende kristalstructuur. Bij glas gebeurt iets anders. Wanneer een vloeistof voldoende snel wordt afgekoeld, kan kristallisatie uitblijven. De moleculen bewegen steeds langzamer totdat het materiaal zich als een vaste stof gedraagt, terwijl de structuur van de vloeistof grotendeels behouden blijft.

Niet allemaal tegelijk, a.u.b.

Een belangrijk verschijnsel tijdens deze overgang is de zogenaamde dynamische heterogeniteit, wat neerkomt op beweging die niet overal gelijkmatig afneemt. Sommige groepen deeltjes kunnen zich nog gezamenlijk verplaatsen, terwijl andere vrijwel stilstaan. Naarmate de vloeistof verder wordt afgekoeld, worden deze verschillen steeds duidelijker. Laudicina onderzocht deze dynamiek met zowel theoretische modellen als computersimulaties. Daarbij bouwde hij voort op de zogenoemde Mode-Coupling Theory (MCT), een veelgebruikte theorie voor het beschrijven van supergekoelde vloeistoffen. Die theorie voorspelt echter een scherpe overgang waarbij de beweging volledig tot stilstand komt. Zo’n overgang wordt in experimenten en simulaties niet daadwerkelijk waargenomen.

Fluctuaties

Het nieuwe model neemt de fluctuaties in de beweging van deeltjes explicieter mee. Die blijken de theoretisch voorspelde scherpe overgang als het ware af te vlakken. In plaats van op één bepaald punt volledig vast te lopen, verandert de vloeistof geleidelijk. Daarmee komt het theoretische beeld beter overeen met computersimulaties en experimentele waarnemingen. De fluctuaties die al in het systeem aanwezig zijn, blijken voldoende om een realistischer beeld van de overgang naar de glasfase te krijgen.

Het onderzoek draait om een fundamenteel probleem uit de statistische natuurkunde, maar het begrip ‘glas’ is daarbij veel breder dan het materiaal in een raam. Vergelijkbaar glasachtig gedrag komt voor in onder meer polymeren, colloïden en andere complexe materialen.