Glas finns överallt. Oavsett om någon tittar ut genom ett fönster eller rullar genom en smartphone, oddsen är att det finns ett glasskikt mellan dem och vad de än tittar på.

Trots att de fanns i minst 5, 000 år, det finns fortfarande mycket som är okänt om detta material, till exempel hur vissa glas bildas och hur de uppnår vissa egenskaper. Bättre förståelse för detta kan leda till innovationer inom teknik, som repfria beläggningar och glas med olika mekaniska egenskaper.

Under de senaste åren, forskare vid University of Pennsylvania har tittat på egenskaper hos stabila glasögon, tätt packade former av glasögon som produceras genom att deponera molekyler från en ångfas på ett kallt substrat.

"Det har varit många frågor, "sa Zahra Fakhraai, docent i kemi vid Penn's School of Arts &Sciences, "om detta är analogt med samma amorfa tillstånd av naturligt åldrade glasögon, t.ex. som bildas genom att bara kyla en vätska och åldras för många, många år."

För att besvara dessa frågor, Fahkraai och Ph.D. studenten Tianyi Liu samarbetade med kemiprofessorn Patrick Walsh som designade och syntetiserade en ny speciell molekyl som är perfekt rund med en sfärisk form. Enligt Fakhraai, dessa unika molekyler kan aldrig anpassa sig till något substrat när de deponeras. På grund av detta, forskarna förväntade sig att glasögonen skulle vara amorfa och isotropa, vilket betyder att deras ingående partiklar, om de är atomer, kolloider eller korn, är ordnade på ett sätt som inte har något övergripande mönster eller ordning.

Förvånande, forskarna märkte att dessa stabila glasögon är dubbelbrytande, vilket betyder att ljusets brytningsindex är olika i parallella och normala riktningar mot substratet, som inte skulle förväntas i ett runt material. Deras resultat publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Med dubbelbrytning, ljus som lyser i en riktning kommer att bryta annorlunda än ljus som lyser från en annan riktning. Denna effekt utnyttjas ofta i flytande kristallskärmar:förändring av materialets orientering får ljus att interagera annorlunda med det, ger optiska effekter. I de flesta deponerade glasögonen, detta är ett resultat av molekyler som anpassar sig i en viss riktning när de kondenserar från ångfasen till ett djupt glasartat tillstånd.

Dubbelbrytningsmönstren hos stallglasen var konstiga, Fakhraai sa, eftersom forskarna inte förväntade sig någon orientering av dessa runda molekyler i materialet.

Efter att ha gått ihop med fysikprofessorn James Kikkawa och Ph.D. student Annemarie Exarhos, som gjorde fotoluminescensförsök för att titta på molekylernas orientering, och kemiprofessorn Joseph Subotnick, som hjälpte till med simuleringarna som syftade till att titta på kristallstrukturen och beräkna brytningsindexet för kristallen som gjorde att de kunde räkna ut graden av dubbelbrytning eller ordning i amorft tillstånd, forskarna bekräftade sin aning om att det inte fanns någon orientering i materialet.

Trots att man mäter nollordning i glaset, forskarna såg fortfarande en mängd dubbelbrytning analog med att ha upp till 30 procent av molekylerna perfekt ordnade. Genom sina experiment, de fann att detta beror på deponeringens lag-för-lager-natur som gör att molekyler kan packas tätare i den riktning som är normal mot ytan under avsättningen. Ju tätare glas, ju högre värdet av dubbelbrytning. Denna process kan kontrolleras genom att ändra substrattemperaturen som styr graden av förtätning.

"Vi kunde visa att detta är en unik sorts order som kommer från processen, "Sa Fakhraai." Det här är en ny typ av förpackning som är väldigt unik eftersom du inte har någon inriktning, men du kan fortfarande manipulera molekylära avstånd i genomsnitt och fortfarande ha en slumpmässig men dubbelbrytande packning totalt sett. Och så lär detta oss mycket om processen för hur du faktiskt kan komma åt dessa lägre tillståndsfaser men ger också ett sätt att konstruera optiska egenskaper utan att nödvändigtvis inducera en ordning eller struktur i materialet. "

Eftersom stressorerna är fördelade olika in och ut ur planet, dessa glasögon kan ha olika mekaniska egenskaper, vilket kan vara användbart inom beläggningar och teknik. Det kan vara möjligt att manipulera glasets orientering eller dess skiktning för att ge det vissa egenskaper, t ex repor.

"Vi förväntar oss att om vi skulle dra in glasytan med något, "Sa Fakhraai, "det skulle ha olika seghet jämfört med att det dras in på sidan. Detta kan ändra dess sprickmönster eller hårdhet eller elastiska egenskaper. Jag tror att förstå hur form, orientering och packning kan påverka mekaniken i dessa beläggningar är en av de platser där intressanta tillämpningar kan dyka upp. "

Enligt Fakhraai, en av de mest spännande delarna av denna forskning är den grundläggande aspekten av att nu kunna visa att det kan finnas amorfa faser med hög densitet. Hon hoppas att hon och andra forskare kan tillämpa sin förståelse från att studera dessa system på vad som skulle hända i högt åldrat glas.

"Detta berättar för oss att vi faktiskt kan göra glasögon som har förpackningar som skulle vara relevanta för mycket väl lagrat glas, "Fakhraai sa." Detta öppnar möjligheten att bättre i grunden förstå processen med vilken vi kan göra stabila glasögon. "