Om du inte råkar vara materialvetare, som de flesta av oss trots allt inte är, termen "glasögon" förmodligen tänker på sådana saker som fönsterrutor, dricksglas eller glasögon. Knappt någon kommer att tänka på metaller. Men metalliska glasögon, eller 'amorfa metaller' som de också är kända, spelar en allt viktigare roll inom både vetenskaplig forskning och teknik.

När metallsmältningar kyls så snabbt att de stelnar inom en bråkdel av en sekund, de förblir kaotiska och oordning på atomnivå. Hade de svalnat långsamt, atomerna skulle ha hunnit omarrangera och bilda en ordnad kristallgitterstruktur, men mycket snabb kylning innebär att atomerna i den störda flytande smältan inte har tillräckligt med tid att ordna om och i huvudsak fryser på plats. Denna atomstörning ger dessa 'icke-jämvikt' metalliska glasegenskaper som skiljer sig ganska mycket från de hos den ordnade kristallina legeringen som skulle bildas när samma beståndsdelar genomgår mer konventionell långsammare kylning. Metallglas kan vara lika starka som stål samtidigt som de har elasticitet hos en polymer.

De flesta material i universum är amorfa, vilket betyder att de är kaotiska och oorganiserade och saknar den långsiktiga ordningen som finns i kristallina fasta ämnen. Till och med vatten, som i sitt frysta tillstånd har en vanlig kristallstruktur här på jorden, är glasartad eller amorf i det bredare universum, såsom vattnet som finns i kometer vid temperaturer under -150 ° C. Ur ett vetenskapligt perspektiv, övergången från det flytande tillståndet till det amorfa fasta tillståndet är av grundläggande intresse.

"Vad som händer under vitrifiering är fortfarande inte riktigt förstått, "säger Isabella Gallino. Arbetar med kollegor från Spanien (Dr. Daniele Cangialosi, Dr. Xavier Monnier), Frankrike (Dr. Beatrice Ruta) och Tyskland (professor Ralf Busch, även från Saarlands universitet), Dr Gallino har studerat i oöverträffad detalj vad som händer på atomnivå när en metastabil flytande legering vitrifierar för att bilda ett fast glas.

Med hjälp av extremt ljusa och sammanhängande röntgenstrålar genererade vid European Synchrotron Research Facility i Grenoble, Gallino och hennes kollegor studerade atomomläggningarna i en speciell guldlegering när den kyldes från cirka 150 ° C (flytande tillstånd) till cirka 115 ° C (fryst, glasartat tillstånd). Med denna teknik, forskargruppen kunde observera hur atomernas rörelse minskade när materialet frös. Själva frysprocessen studerades också med hjälp av en ny blixtkalorimeter - en snabbsökande kalorimeter som gör det möjligt att uppnå extremt höga värme- och kylhastigheter. Tidigare, ingen hade kunnat observera vad som hände i förglasningsområdet med denna precision.

"Ända tills nu, ingen hade lyckats göra dessa observationer över ett så brett spektrum av värme- och kylhastigheter, "förklarar Isabella Gallino, som för närvarande arbetar med sin Habilitering, en avancerad forskarutbildning som ger innehavaren rätt att undervisa på professornivå i Tyskland. Tio år sedan, studier av denna typ var helt enkelt inte genomförbara av tekniska skäl. Vid den tiden, forskare hade inte möjlighet att utsätta dessa material för extremt ljusa synkrotronröntgenstrålar, inte heller hade de tillgång till de snabba skanningskalorimetrarna som gör det möjligt att registrera fasövergångar och andra transformationer vid temperaturhastigheter på upp till 100, 000 grader per sekund. I dag, båda dessa alternativ är tillgängliga och Isabella Gallino och hennes kollegor har använt dem väl.

I sin forskningsartikel publicerad i respekterade, peer-reviewed journal Vetenskapliga framsteg , laget visade att deras resultat utmanade ett tidigare accepterat paradigm för materialvetenskaplig forskning. "Ända tills nu, konventionell visdom ansåg att hastigheten vid vilken vätskan fryser är densamma som den så kallade alfa-relaxationshastigheten, dvs. den hastighet med vilken atomernas primära rörlighet minskar när temperaturen sänks, "förklarar Dr Gallino." Men denna en-till-en-korrelation är inte vad vi faktiskt observerar. "

"Det beror på att smältan består av atomer av olika slag och av mycket olika storlekar. När de stora atomerna, som guld, har redan frusit och är i huvudsak orörliga, de mindre atomerna, som kisel, kan fortfarande röra sig och "joggla" sig till sina energiskt föredragna positioner, "säger Isabella Gallino. På grund av detta kollektiva flöde av de mindre atomerna, det finns fortfarande global rörlighet inom materialet, som fortsätter att bete sig som en vätska. Det är först när de mindre atomerna äntligen fryser, att vätskan stelnar till ett glas.

Denna grundläggande nya upptäckt av Isabella Gallino och hennes forskningskollegor har konsekvenser för den globala forskningen kring amorfa metaller och andra glasbildande material som polymerer och joniska vätskor. Förbättrad förståelse för förglasningsprocessen kommer inte bara att underlätta skapandet av nya specialiserade material i framtiden, men kommer att ge oss större inblick i beteendet hos befintliga amorfa material.