Potentialen hos en röntgenspektroskopiteknik för att kasta ljus över de mystiska fenomen som uppstår när en vätska närmar sig ett glasliknande tillstånd har visats av fyra RIKEN-fysiker.

Vid kylning, många vätskor genomgår en skarp växling vid sina fryspunkter, snäpper till kristallina fasta ämnen. Det mest kända exemplet är vatten, med en fryspunkt på 0 grader Celsius.

I kontrast, många flytande polymerer och andra material går igenom en mer graciös övergång känd som glasövergången. De fasta ämnen de bildar har strukturer som är närmare den slumpmässiga ordningen av en vätska än den ordnade strukturen av kristallina fasta ämnen som is och metaller. Glas är ett klassiskt exempel:det är ett fast ämne vid rumstemperatur men dess molekyler är ordnade på ett oordnat sätt.

Det finns många obesvarade frågor om glasövergången. "Fenomenet med glasövergång är ett av mjukmateriafysikens största mysterier, " noterar Taiki Hoshino från RIKEN SPring-8 Center. "Vissa forskare ifrågasätter till och med om glasövergången verkligen är en övergång eller om den bara ser ut som en."

En nyckel som kan hjälpa till att låsa upp mysterierna kring glasövergången är konceptet dynamisk heterogenitet – fluktuationer i rum och tid i molekylers lokala dynamiska beteende. "Många forskare tror att glasövergången kan förklaras i termer av dynamisk heterogenitet, säger Hoshino.

Nu, Hoshino och tre kollegor från RIKEN SPring-8 Center har använt synkrotrongenererade röntgenstrålar för att mäta dynamisk heterogenitet i en flytande polymer nära dess glasövergångstemperatur.

Under mätningarna, polymeren klämdes mellan en stationär cylindrisk stav och ett rörligt substrat. Vätska närmare substratet rörde sig snabbare än vätska nära staven, vilket resulterar i en hastighetsgradient över vätskan. Teamet fann att den dynamiska heterogeniteten minskade när hastighetsgradienten ökades. Detta bekräftade förutsägelserna från en simulering av molekylär dynamik som publicerades för mer än 20 år sedan.

Forskarna använde en teknik som kallas röntgenfotonkorrelationsspektroskopi (XPCS). Eftersom ljusvågorna som utgör en laserstråle alla toppar och dalar i synk med varandra, laserljus som sprids från ett föremål genererar ett fläckmönster på en skärm. XPCS använder det fläckmönster som genereras av röntgenstrålar för att få information om ett prov. "Om spridarna i provet rör sig, spridningsmönstret ändras, " förklarar Hoshino. "Dessa fluktuationer avslöjar information om spridarnas rörelse."

Hoshino noterar att XPCS inte har haft lika stor popularitet bland mjukmateriafysiker som andra tekniker, men han hoppas att denna studie kommer att övertyga andra om dess potential. "Våra resultat visar att XPCS är en kraftfull teknik för att studera glasövergång, " han säger.