Forskare vid University of Pennsylvania har utvecklat en ny teknik för att studera ytan på olika typer av glas. Med denna teknik, de upptäckte en överraskande egenskap hos det övre lagret av glasögon, vilket kan bana väg för att utveckla bättre glasmaterial.

Forskningen leds av Yue Zhang, en doktorand vid Institutionen för kemi i Penn's School of Arts &Sciences, och Zahra Fakhraai, biträdande professor i kemi. Zhang fick ett APS Padden Award för forskningen, som erkänner spetskompetens inom polymerfysikforskning.

Skillnaden mellan kristaller och vätskor är att, medan kristaller är ordnade och fasta, vätskor är störda och kan röra sig för att fylla vilken behållare de än är i. Men om man skulle kyla en vätska tillräckligt, det skulle förbli oroligt medan rörelsen av dess molekyler skulle bromsa så mycket att det skulle verka fast. Så bildas amorfa material som glasögon.

Honung, till exempel, är en vätska, men när den kyls blir dess egenskaper mer som för ett fast ämne.

Penn -forskarna undersökte hur gränssnitt eller ytor, gränserna mellan materiens två faser, skulle påverka glasögonens egenskaper. Enligt Fakhraai, när en fri yta införs i materialet, rörelsen påskyndas igen, som sprider sig in i filmen.

Även om honungen skulle verka fast, molekylerna i topp 5 eller 10 nanometer skulle förbli flytande och rörliga. Om en nål sattes på honungens yta, det skulle doppa och bilda en menisk, låter molekylerna röra sig, medan samma nål inte skulle ha någon effekt på ett fast ämne.

I en tidigare artikel publicerad i Mjuk materia , forskarna krympte ner denna teknik till nanometerlängdskalor med ett virus som nål och såg hur ytmolekylerna kom in och långsamt försökte bilda en menisk runt viruset. Medan molekylerna i materialets centrum kan ta miljontals år att flytta, för molekylerna i toppen skulle det vara mer som några hundra sekunder.

"Tekniken som vi utvecklat är riktigt spännande eftersom det inte finns många tekniker för att direkt undersöka ytrörelserna på fältet, "Zhang sa." Vår teknik är mycket effektiv och matematiskt enkel, och vi kan enkelt utvidga det till andra system. "

En av de mest utmanande aspekterna av att utveckla tekniken, Fakhraai sa, funderade på att de kunde använda virus för att undersöka materialet.

"Under några år försökte vi syntetisera nanoroder som såg ut som nålar och var tillräckligt långa och enhetliga, "sa hon." Virus är perfekta eftersom de har dessa kristallina strukturer som är exakt rätt dimensioner som vi behöver. Att tänka på viruset som en nanopartikel hjälpte oss verkligen framåt. "

Med denna teknik, forskarna ville bestämma hur molekylernas rörelse på den fria ytan är kopplad till rörelsen nedan. Särskilt, de ville se om molekylerna på ytan skulle påverkas om molekylernas rörelse under dem påskyndades eller bromsades.

I en annan tidigare artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskarna använde olika deponeringstekniker för att bättre packa molekylerna och bilda stabila glasögon. Detta gjorde allt extremt långsamt till den grad att det skulle ta längre tid än universums ålder för molekyler i mitten att röra sig.

I deras senaste tidning, publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , de satte fart på allt genom att göra tunnare filmer, som skulle ha mer av en fri yta.

"Baserat på många olika teorier, vi hade förväntat oss att rörelserna i mitten och den fria ytan skulle kopplas ihop, "Sa Fakhraai." Exemplet jag gillar att ta är om du säger längst fram i paraden och du rör dig snabbare, saker borde följa dig. Men det blir inte så. Det omedelbara översta lagret kopplar inte riktigt ihop:Dessa molekyler kan röra sig utan att påverka vad som händer bakom dem. "

Dessa resultat, Hon sa, var överraskande. Även om det fanns många olika idéer om huruvida denna korrelation finns, ingen hade riktigt mätt det förut. De fann att oavsett vilken typ av rörelse, molekylerna längst upp och molekylerna i mitten har ingen effekt på varandra.

Forskarna hoppas kunna undersöka det andra och tredje lagret, vilket kan vara viktigt i förtätningsprocessen av materialen under avsättning, som är grunden för att göra stabila glasögon och är av teknisk betydelse. Eftersom molekylerna i det första lagret inte påverkas av molekylernas rörelse under dem, rörelsen hos de underliggande skikten blir avgörande i processen.

"Vi tror att det verkligen är molekylerna i det andra lagret och det tredje lagret som deltar i denna förtätningsprocess, och molekylerna vid den fria ytan är precis som ett hav av fria föremål som kan ge den rörligheten men inte nödvändigtvis deltar i processen, "Sa Fakhraai.

De hoppas också att bättre förstå övergången från de snabbt rörliga partiklarna vid ytan till de extremt långsamt rörliga molekylerna i mitten. Människor som står längst fram i en parad kan röra sig fritt, Fakhraai förklarade, men ju djupare du går in i paraden, rörelse blir mer begränsad.

"Frågan är hur djup effekten är och hur den processen uppstår, "Sa Fakhraai." Hur ändrar jag mig från något som tar 100 sekunder att flytta till något som tar miljarder år? Jag tror att det är nästa stora utmaning på området:att förstå den lutningen. "

Enligt Fakhraai, att undersöka denna process kommer att göra det möjligt för forskare att inte bara bättre förstå teorier utan att förbättra beläggningar på material och designa bättre amorfa material.

"Vi förstår vad som sätter klockan mitt i filmen, men vi vet inte vad som ställer klockan för dessa ytmolekyler, "Fakhraai sa." Jag tror att det är något att förstå mer i framtiden. "