Vi lär oss i skolan att materia kommer i tre stater:fast, vätska och gas. En uttråkad och smart elev (vi har alla träffat en) frågar då ibland om glas är ett fast ämne eller en vätska.

Studenten har en poäng. Glasögon är konstiga "fasta vätskor" som kyls så snabbt att deras atomer eller molekyler fastnar innan de organiserar sig i de kristallina fasta mönstren. Så ett glas har de mekaniska egenskaperna hos ett fast ämne men dess atomer eller molekyler är oorganiserade, som de i en vätska.

Ett tecken på det konstiga med glas är att övergången från vätska till ett glas är mycket fuzzier än övergången från vätska till kristallint fast material. Faktiskt, glasövergången definieras godtyckligt som den punkt där det glasbildande materialet har en viskositet på 1013 poise. (Viskositeten för vatten vid rumstemperatur är cirka 0,01 poise. En tjock olja kan ha en viskositet på cirka 1,0 poise.) Vid denna tidpunkt, den är för tjock för att flyta och uppfyller därför den praktiska definitionen av ett fast ämne.

Forskare hatar definitioner så vaga, men de har fastnat för den här eftersom ingen riktigt förstod glasövergången, som ofta gör det på listor över de 10 bästa olösta problemen inom fysik.

För det mesta, forskare har bara kunnat mäta bulkegenskaper hos glasbildande vätskor, såsom viskositet och specifik värme, och tolkningarna de kom med berodde delvis på de mätningar de gjorde. Glaslitteraturen är notoriskt full av motsägelsefulla fynd och workshops om glas är platsen för livlig debatt.

Men under de senaste femton åren har nya experimentella inställningar som sprider röntgenstrålar eller neutroner från atomerna i en vätskedroppe som hålls utan en behållare (vilket skulle få det att kristallisera) har tillåtit forskare äntligen att mäta vätskans atomära egenskaper. Och det är på den nivån de misstänker att hemligheterna bakom glasövergången är dolda.

I en sådan studie, Ken Kelton, Arthur Holly Compton professor i konst och vetenskap vid Washington University i St. Louis, och hans forskargrupp (Chris Pueblo, Washington University och Minhua Sun, Harbin Normal University, Kina) jämförde ett mått på interaktionen mellan atomer för olika glasbildande vätskor. Deras resultat, publicerad online i Naturmaterial , förena flera mått på glasbildning, ett tecken på att de är på rätt väg.

"Vi har visat att begreppet ömtåliga och starka vätskor, som uppfanns för att förklara varför viskositeten förändras på markant olika sätt när en vätska kyls, går faktiskt mycket djupare än bara viskositeten, "Sa Kelton." Det är slutligen relaterat till avstötningen mellan atomer, vilket begränsar deras förmåga att röra sig kooperativt. Det är därför skillnaden mellan ömtåliga och starka vätskor också visas i strukturella egenskaper, elastiska egenskaper och dynamik. De är alla bara olika manifestationer av den atomiska interaktionen. "

Detta är första gången sambandet mellan viskositet och atomiska interaktioner har visats experimentellt, han sa. Intressant nog, hans studier och arbete av andra tyder på att glasövergången inte börjar vid den konventionella glasövergångstemperaturen utan snarare vid en temperatur som är ungefär två gånger högre i metallglas (mer än två gånger högre i silikatglasen, t.ex. fönsterglas). Det är vid den tidpunkten, Kelton sa, atomerna börjar först röra sig kooperativt.

Borrning ner till atomnivå

Keltons senaste upptäckter följer tidigare undersökningar av en egenskap hos glasbildande vätskor som kallas bräcklighet. För de flesta människor, alla glasögon är ömtåliga, men för fysiker är vissa "starka" och andra "bräckliga".

Distinktionen introducerades först 1995 av Austen Angell, professor i kemi vid Arizona State University, som ansåg att en ny term behövdes för att fånga dramatiska skillnader i hur en vätskes viskositet ökar när den närmar sig glasövergången.

Viskositeten hos vissa vätskor ändras gradvis och smidigt när de närmar sig denna övergång. Men när andra vätskor kyls, deras viskositet förändras väldigt lite till en början, men lyfter sedan som en raket när övergångstemperaturen närmar sig.

Just då, Angell kunde bara mäta viskositet, men han kallade den första typen av vätska "stark" och den andra typen "bräcklig" eftersom han misstänkte en strukturell skillnad som låg till grund för de skillnader som han såg,

"Det är lättare att förklara vad han menade om du tänker på att ett glas blir en vätska snarare än tvärtom, "Kelton sa." Antag att ett glas värms genom glasövergångstemperaturen. Om det är ett "starkt" system, den "minns" strukturen den hade som ett glas - vilket är mer ordnat än i en vätska - och det säger att strukturen inte förändras mycket genom övergången. I kontrast, ett ”skört” system ”glömmer” snabbt sin glasstruktur, som berättar att dess struktur förändras mycket genom övergången.

"Folk hävdade att förändringen i viskositet måste relateras till strukturen - genom flera mellanliggande begrepp, av vilka några inte är väldefinierade, "Kelton tillade." Det vi gjorde var att hoppa över dessa mellanliggande steg för att direkt visa att bräcklighet var relaterat till struktur. "

Under 2014, han med medlemmar i hans grupp publicerad i Naturkommunikation resultaten av experiment som visade att bräckligheten hos en glasbildande vätska återspeglas i något som kallas strukturfaktorn, en mängd mätt genom att sprida röntgenstrålar från en vätskedroppe som innehåller information om atomernas position i droppen.

"Det var precis som Angell hade misstänkt, "Sa Kelton." Hastigheten för atomordning i vätskan nära övergångstemperaturen avgör om en vätska är "ömtålig" eller "stark". "

Vassa små atomarmbågar

Men Kelton var inte nöjd. Andra forskare fann korrelationer mellan en vätskas skörhet och dess elastiska egenskaper och dynamik, såväl som dess struktur. "Det måste finnas något gemensamt, "tänkte han." Vad är det enda som kan ligga till grund för alla dessa saker? "Svaret, han trodde, måste vara den föränderliga attraktionen och avstötningen mellan atomer när de rörde sig närmare varandra, som kallas den atomära interaktionspotentialen.

Om två atomer är väl separerade, Kelton förklarade, det finns liten interaktion mellan dem och den interatomiska potentialen är nästan noll. När de kommer närmare varandra, de lockas till varandra av olika anledningar. Den potentiella energin går ner, blir negativ (eller attraktiv). Men när de närmar sig fortfarande, atomernas kärnor börjar interagera, stöta bort varandra. Energin skjuter långt upp.

"Det är den avskyvärda delen av potentialen vi såg i våra experiment, "Sa Kelton.

Vad de hittade när de mätte den repulsiva potentialen hos 10 olika metallegeringar vid Advanced Photon Source, en strållinje vid Argonne National Laboratory, är att "starka" vätskor har brantare frånstötande potentialer och lutningen för deras frånstötande potential förändras snabbare än "bräckliga". "Vad betyder detta, "Kelton sa, "är att" starka "vätskor beställer snabbare vid höga temperaturer än" sköra ". Det är den mikroskopiska grunden för Angells skörhet.

"Vad är intressant, "Kelton fortsatte, "är att vi ser atomer börjar reagera kooperativt - visar medvetenhet om varandra - vid temperaturer som är ungefär dubbla glasövergångstemperaturen och nära smälttemperaturen.

"Det är där glasövergången verkligen börjar, "sa han." När vätskan svalnar mer och mer, atomer rör sig kooperativt tills flottar av samarbete sträcker sig från ena sidan av vätskan till den andra och atomerna fastnar. Men den punkten, den konventionella glasövergången, är bara slutpunkten för en kontinuerlig process som börjar vid en mycket högre temperatur. "

Kelton kommer snart att delta i en workshop i Polen där han förväntar sig en livlig diskussion om sina resultat, som motsäger vissa av hans kollegors. Men han är övertygad om att han har grepp om tråden som kommer att leda ut ur labyrinten eftersom olika nivåer av förståelse börjar radas upp. "Det är spännande att saker går ihop så bra, " han sa.

Glasögon, glasögon, överallt

Ken Kelton har drivit glasövergången i många år både för att fysiken är intressant och, han erkänner, för han gillar helt enkelt vätskor och glasögon. Men när han googlar människor som har citerat hans papper finner han ofta att de arbetar inom industrin. Detta beror på att glasögon finns överallt. De flesta av oss tänker på glas som fönsterglas eller dricksglas, men många livsmedel, droger och plaster är också glasögon.

Torr spaghetti är hård och spröd eftersom det är ett glas. När den värms upp i kokande vatten genomgår den en övergång till ett "gummiliknande" tillstånd som passar bra med röd sås. Bomullsgodis är ett glas som framställs genom att smälta sockerkristaller och sedan snurra ut smältan så att delar av smält socker "fryser" i form av ett glas. Cheetos, räkor och kakmjölk är alla glasögon, liksom många andra livsmedel.

Läkemedelsföretag använder ofta spraytorkning eller frystorkning för att se till att ett läkemedel är glasartat snarare än kristallint. Många hårda plaster, såsom polysytren (packning av jordnötter, engångsrakhyvlar) och polyvinylklorid (vinylbeklädnad, VVS) är också glasögon.

Industriella forskare skannar Keltons papper eftersom de behöver kontrollera glasövergången och omvandlingen av glaset till ett kristallint fast ämne för att ge deras produkter önskvärda egenskaper. Läkemedel i ett glasartat tillstånd löser sig i allmänhet bättre i kroppen, så att lägre doser är effektiva, och vissa läkemedel måste produceras som glasögon eftersom de är olösliga i sin kristallina form. Kontroll av glasövergången är också viktig vid tillverkning av plast. Eftersom de är glasögon, hårdplast har ett "minne" av deras termiska historia som påverkar hur de presterar och åldras.