Om du kunde ta på dig ett par simglasögon, krympa dig som en karaktär från The Magic School Bus och ta en djupdykning i en vätska, du skulle se en skara molekyler festa som om det vore 1999.

Allt detta frenetiska vicklande gör det lätt för molekyler att ordna om sig själva och för vätskan som helhet att ändra form. Men för underkylda vätskor – vätskor som honung som kyls under fryspunkten utan att kristallisera – saktar den lägre temperaturen ner dansen som Etta James "At Last". Sänk temperaturen tillräckligt, och avmattningen kan vara så dramatisk att det tar århundraden eller till och med årtusenden för molekylerna att omordnas och vätskan att röra sig.

Forskare kan inte studera processer som varar längre än deras karriärer. Men Duke kemister och deras Simons Foundation-samarbetspartners har hittat ett sätt att lura tiden, simulerar den långsamma dansen av djupt underkylda vätskor. Längs vägen, de har hittat nya fysikaliska egenskaper hos "åldrade" underkylda vätskor och glas.

För att förstå hur långsamt djupt underkylda vätskor rör sig, betrakta världens längsta experiment, University of Queenslands Pitch Drop Experiment. En enda droppe beck bildas vart åttonde till trettonde år – och denna beck rör sig snabbare än djupt underkylda vätskor.

"Experimentellt finns det en gräns för vad du kan observera, för även om du lyckades göra det under hela din karriär, det är fortfarande högst 50 år, sa Patrick Charbonneau, en docent i kemi och fysik vid Duke. "För många människor ansågs det vara ett hårt glastak, bortom vilket du inte kunde studera beteendet hos underkylda vätskor."

Charbonneau, som är expert på numeriska simuleringar, sa att användning av datorer för att simulera beteendet hos underkylda vätskor har ännu brantare tidsbegränsningar. Han uppskattar att med tanke på den nuvarande hastigheten för datorutveckling, det skulle ta 50 till 100 år innan datorer skulle vara tillräckligt kraftfulla för att simuleringar skulle överträffa experimentell förmåga – och även då skulle simuleringarna ta månader.

För att bryta detta glastak, Charbonneau-gruppen samarbetade med Ludovic Berthier och hans team, som utvecklade en algoritm för att kringgå dessa tidsbegränsningar. Istället för att det tar månader eller år att simulera hur varje molekyl i en underkyld vätska vickar runt tills molekylerna ordnar om, Algoritmen väljer individuella molekyler för att byta plats med varandra, skapa nya molekylära konfigurationer.

Detta gör att teamet kan utforska nya konfigurationer som det kan ta årtusenden att skapa naturligt. Dessa "djupt underkylda vätskor och ultraåldrade glasögon" vätskor har en lägre energi, och mer stabil, än någon tidigare observerad.

"Vi fuskade tid i den meningen att vi inte behövde följa dynamiken i systemet, ", sa Charbonneau. "Vi kunde simulera djupt underkylda vätskor långt utöver vad som är möjligt i experiment, och det öppnade många möjligheter."

Förra sommaren, teamet använde denna teknik för att upptäcka en ny fasövergång i lågtemperaturglas. De publicerade nyligen ytterligare två studier, varav en kastar ljus över "Kauzmann-paradoxen, " en 70-årig fråga om entropin av underkylda vätskor under glasövergången. Den andra utforskar bildandet av ångavsatta glas, som har tillämpningar inom läkemedelstillförsel och skyddande beläggningar.

"Naturen har bara ett sätt att komma i jämvikt, genom att bara följa den molekylära dynamiken, sa Sho Yaida, en postdoktor i Charbonneaus labb. "Men det fantastiska med numeriska simuleringar är att du kan justera algoritmen för att påskynda ditt experiment."