I årtusenden, människor har använt smält sand och andra ingredienser för att skapa glas och modepärlor, fartyg, linser och fönster.

Dessa dagar, metalliska glasögon - helt och hållet gjorda av metallatomer - utvecklas för biomedicinska tillämpningar som extra skarpa kirurgiska nålar, stenter, och konstgjorda leder eller implantat eftersom legeringarna kan vara extremt hårda, extra stark, mycket slät och korrosionsbeständig.

Medan en kombination av trial and error och vetenskaplig forskning hjälpte att förfina glasframställningsprocesser över tid, att kontrollera skapandet av metallglasögon på atomnivå är fortfarande en inexakt strävan som till stor del informeras av lång erfarenhet och intuition.

"Vårt jobb, "säger Paul Voyles, "är att bygga grundläggande förståelse genom att lägga till mer data."

Beckwith-Bascom-professor i materialvetenskap och teknik vid University of Wisconsin-Madison, Voyles och medarbetare i Madison och vid Yale University har gjort betydande experimentella framsteg när det gäller att förstå hur, när och där de ständigt rörliga atomerna i smält metall "låses" på plats när materialet övergår från flytande till fast glas.

De beskrev vad de observerade om hur dessa atomer ordnar om vid olika temperaturer över tiden idag (19 mars, 2018) i tidningen Naturkommunikation . Det är kunskap som kan lägga till välbehövlig experimentell klarhet i flera konkurrerande teorier om hur den processen, kallade glasövergången, inträffar. Det kan också bidra till att minska tid och kostnader i samband med att utveckla nya metalliska glasmaterial, och ge tillverkarna större inblick i processdesign.

En bearbetningsutmaning är att när metaller övergår från smält vätska till fast, de tenderar att bildas ordnat, regelbundet upprepar atomstrukturer som kallas kristaller. I kontrast, glasmaterial har en mycket störd atomstruktur. Och samtidigt som ett högpresterande metallglas låter så enkelt som att förhindra att metallatomer bildar kristaller när materialet svalnar, i verkligheten, det förlitar sig något på turens dragning.

"Processen som gör ett glas och processen som får en kristall att tävla med varandra, och den som vinner - den som sker snabbare - bestämmer slutprodukten, säger Voyles, vars arbete stöds av National Science Foundation och U.S. Department of Energy.

I en vätska, alla atomer rör sig förbi varandra hela tiden. När en smält metall svalnar, och börjar sin övergång till en fast, dess atomer saktar ner och slutar röra sig.

Det är en komplicerad dans på atomnivå som forskare fortfarande håller på att reda ut. Med hjälp av deras expertis inom elektronmikroskopi och dataanalys, Voyles och hans medarbetare har mätt hur lång tid det tar, i genomsnitt, för en atom att få eller förlora närliggande atomer när dess omgivning fluktuerar i den smälta vätskan.

"En atom är omgiven av ett gäng andra atomer, "Säger Voyles." Vid riktigt höga temperaturer, de studsar runt och varenda picosekund (en biljonedel av en sekund), de har en ny uppsättning grannar. När temperaturen sjunker, de håller med sina grannar längre och längre tills de fastnar permanent. "

Vid höga temperaturer, alla atomer rör sig snabbt. Sedan, när vätskan svalnar, de rör sig långsammare; en enkel beskrivning kan vara att alla atomer saktar ner tillsammans, i samma takt, tills de slutar röra sig och materialet blir ett fast glas.

"Vi har nu visat experimentellt att det inte är vad som händer, säger Voyles.

Snarare, han säger, hans lags experiment bekräftade att tiden det tar för atomer att låsa sig på plats varierar mycket - åtminstone en storleksordning - från plats till plats inne i samma vätska.

"Vissa regioner i nanometerstorlek blir" klibbiga "först och håller fast vid sina grannar mycket länge, medan de klibbiga bitarna är bitar som rör sig mycket snabbare, "säger han." De fortsätter att fluktuera 10 gånger snabbare än i de långsamma delarna och sedan blir allt långsammare, men de klibbiga delarna blir också större tills de klibbiga delarna "vinner" och materialet blir fast. "

Nu, han och hans medarbetare arbetar för att förstå hur atomarrangemangen skiljer sig mellan de långsamma och snabba delarna.

"Det är nästa stora saknade pusselbit, " han säger.

Förskottet ger värdefull information om den grundläggande process genom vilken varje glasmaterial - från fönsterglas till plastflaskor till farmaceutiska preparat och många andra - övergår från vätska till fast, säger Voyles.

"Detta är verkligen grundläggande vetenskap, "säger han." Men den ultimata potentiella effekten för applikationer är om vi verkligen förstår hur detta fungerar på atomnivå, det ger oss möjlighet att bygga in kontroll som låter oss göra glasögon av vad vi vill istället för att bara få glasögon när vi har tur. "