Eerste directe observatie op nanoschaal van hoe glas verandert in vloeistof bij toenemende temperatuur

Onderzoekers van de UAB en de ICN2 hebben een methodologie ontwikkeld die het voor het eerst mogelijk maakt om onder de microscoop in realtime te observeren wat er gebeurt als glas wordt verwarmd en overgaat in een onderkoelde vloeibare fase, bekend als de “glasovergang”. ” Het onderzoek, gepubliceerd in natuur fysicais van groot belang voor de cryopreservatie van eiwitten, cellen en levend weefsel, voor de fabricage van medicijnen en elektronische apparaten, en voor weefselmanipulatie, waar deze overgang van glas naar vloeistof een sleutelrol speelt.

Glas is een vast materiaal met zo’n ongeordende structuur dat het kan worden beschouwd als een vloeistof met een buitengewoon hoge viscositeit. Het wordt aangetroffen in transparante en glas-in-loodramen, in televisieschermen en mobiele apparaten, in glasvezel, in industriële plastic materialen, en ook in de staat van eiwitten, cellulaire structuren en levende weefsels wanneer ze worden ingevroren voor cryopreservatie.

Ondanks dat het zo gewoon is, is het erg moeilijk om theorieën en modellen te ontwikkelen die hun gedrag in detail kunnen verklaren. De mechanismen waarmee een vloeistof afkoelt en in een glas verandert, en omgekeerd, hoe een glas bij verhitting in een vloeistof verandert, iets dat bekend staat als ‘glasovergang’, worden nog steeds niet volledig begrepen.

Natuurkundigen zijn er nog steeds niet zeker van of dit een faseovergang is en glas kan worden beschouwd als een thermodynamische toestand die verschilt van de vloeibare en vaste toestanden; of dat glas gewoon een onderkoelde vloeistof is – gekoeld tot onder het vriespunt maar met behoud van vloeibare eigenschappen – waarvan de atomen of moleculen zeer weinig mobiliteit hebben. Een van de grootste moeilijkheden bij het begrijpen van dit proces ligt in de uitdaging om het met voldoende resolutie door de microscoop te visualiseren, aangezien de structuren van de onderkoelde vloeistof en het glas vrijwel niet van elkaar te onderscheiden zijn.

Een team onder leiding van onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) en het Catalaans Instituut voor Nanowetenschap en Nanotechnologie (ICN2), met de betrokkenheid van de UPC en de IMB-CNM-CSIC, heeft een nieuwe methodologie gepresenteerd dat maakt het mogelijk om direct onder de microscoop te observeren wat er gebeurt in een glas wanneer het boven de glasovergangstemperatuur wordt verwarmd, bekend als het “ontspanningsproces” dat het in een vloeistof verandert.

Onderzoekers werkten met ultrastabiel organisch glas, dat wordt bereid via thermische verdamping. Ze zijn dichter en vertonen een hogere kinetische en thermodynamische stabiliteit dan conventioneel glas dat rechtstreeks uit vloeistoffen wordt verkregen. In tegenstelling tot conventioneel glas dat, zoals tot nu toe gezien, globaal transformeert naar de vloeibare toestand, zonder duidelijk onderscheid tussen verschillende delen van het materiaal, gaat dit ultrastabiele glas over naar een onderkoelde vloeibare toestand op dezelfde manier als kristallijne vaste stoffen dat doen wanneer ze overgaan naar de vloeibare toestand, met de vorming van gebieden in de vloeistoffase die steeds groter worden.

Dit is een proces dat al indirect door nanocalorimetriemetingen werd beschreven en alleen in rekenmodellen werd waargenomen. “Eerder was uit deze modellen al afgeleid dat de vloeistoffase-gebieden die worden geproduceerd een buitengewone scheiding tussen hen hebben als het gaat om ultrastabiel glas, maar dit was nooit rechtstreeks waargenomen”, zegt Cristian Rodriguez Tinoco, onderzoeker bij de UAB en ICN2.

De nieuwe methode die is ontwikkeld om deze overgang waar te nemen, bestaat uit het inklemmen van het ultrastabiele glas tussen twee glaslagen met een hogere overgangstemperatuur. Wanneer de ultrastabiele glaslaag boven de overgangstemperatuur wordt verhit, worden de instabiliteiten die aan het oppervlak optreden, overgebracht naar de buitenste lagen van de sandwich en kunnen ze direct worden waargenomen met een atoomkrachtmicroscoop.

“Dit zijn zeer kleine bewegingen en compressies, in de orde van grootte van enkele nanometers wanneer de transformatie begint, maar groot genoeg om nauwkeurig te worden gemeten met een microscoop van dit type, die ter plaatse de oppervlaktevervormingen bewaakt die verschijnen boven de overgangstemperatuur,” legt Ph.D. uit. leerlinge Marta Ruiz Ruiz.

Het werk maakt het mogelijk om de ontglazing van het glas in real time te volgen. Het maakt het mogelijk om de dynamiek van het relaxatieproces in ultrastabiele kristallen naar een onderkoelde vloeistof te kwantificeren door rechtstreeks de afstanden tussen de vloeistofdomeinen die verschijnen te meten, terwijl de vervorming van het oppervlak en de evolutie ervan in de loop van de tijd worden waargenomen. Op deze manier was het mogelijk om te bevestigen hoe deze afstanden tussen vloeistofgebieden buitengewoon groot zijn in dit type glas, en de correlatie van deze afstanden met de tijdschalen van het materiaal, zoals voorspeld door computermodellen.

“De microscopische beschrijving die we hebben bereikt, heeft voor het eerst een directe vergelijking tussen computermodellen en de fysieke realiteit mogelijk gemaakt. We geloven dat deze techniek ook erg nuttig zal zijn bij het verkennen van de glasovergang op kleinere tijd- en ruimteschalen, waardoor een beter begrip van de overgang in minder stabiel glas geproduceerd uit gekoelde vloeistoffen”, concludeert Javier Rodríguez Viejo, onderzoeker aan de UAB en ICN2.