Forskare från UAB och ICN2 har utvecklat en metod som gör det möjligt för första gången att i realtid under mikroskop observera vad som händer när glas värms upp och övergår till en underkyld vätskefas, känd som "glasövergången". " Forskningen, publicerad i Nature Physics , är av stor betydelse för kryokonservering av proteiner, celler och levande vävnader, för tillverkning av läkemedel och elektroniska apparater, och för vävnadsteknik, där denna glas-till-vätska-övergång spelar en nyckelroll.
Glas är ett fast material med en sådan oordnad struktur att det kan anses vara en vätska med extraordinärt hög viskositet. Det finns i genomskinliga och målade glasfönster, i tv-skärmar och mobila enheter, i fiberoptik, i industriella plastmaterial, och även i tillståndet hos proteiner, cellulära strukturer och levande vävnader när de är frysta för kryokonservering.
Trots att det är så vanligt är det väldigt svårt att utveckla teorier och modeller som kan förklara deras beteende i detalj. Mekanismerna genom vilka en vätska kyls och omvandlas till ett glas, och omvänt, hur ett glas omvandlas till en vätska när det värms upp, något som kallas "glasövergång", är fortfarande inte helt klarlagda.
Fysiker är fortfarande inte säkra på om detta är en fasövergång och glas kan betraktas som ett termodynamiskt tillstånd skilt från flytande och fasta tillstånd; eller om glas helt enkelt är en underkyld vätska – kyld under frystemperatur men med bibehållen flytande egenskaper – vars atomer eller molekyler har mycket liten rörlighet. En av de största svårigheterna med att förstå denna process ligger i utmaningarna att visualisera den genom mikroskopet med tillräcklig upplösning, eftersom strukturerna hos den underkylda vätskan och glaset är praktiskt taget omöjliga att skilja.
Ett team ledd av forskare från institutionen för fysik vid Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) och Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), med deltagande av UPC och IMB-CNM-CSIC, har presenterat en ny metodik som gör det möjligt att direkt under mikroskop observera vad som händer i ett glas när det värms över glasets övergångstemperatur, känd som "avslappningsprocessen" som omvandlar det till en vätska.
Forskare arbetade med ultrastabilt organiskt glas, som framställs via termisk avdunstning. De är tätare och uppvisar högre kinetisk och termodynamisk stabilitet än konventionellt glas erhållet direkt från vätskor. Till skillnad från konventionellt glas som, som hittills sett, omvandlas till flytande tillstånd globalt, utan tydliga skillnader mellan olika delar av materialet, övergår detta ultrastabila glas till ett underkylt flytande tillstånd på liknande sätt som kristallina fasta ämnen gör när de övergår till det flytande tillståndet, med bildandet av vätskefasområden som växer sig allt större.
Detta är en process som redan beskrevs indirekt av nanokalorimetrimätningar och observerades endast i beräkningsmodeller. "Tidigare hade man redan dragit slutsatsen från dessa modeller att vätskefasområdena som produceras har en extraordinär separation mellan sig när det gäller ultrastabilt glas, men detta hade aldrig observerats direkt", säger Cristian Rodriguez Tinoco, forskare vid UAB och ICN2.
Den nya metoden som utvecklats för att observera denna övergång består av att lägga det ultrastabila glaset mellan två lager av glas med en högre övergångstemperatur. När det ultrastabila glasskiktet värms upp över sin övergångstemperatur, överförs de instabiliteter som uppstår på ytan till sandwichens yttre skikt och kan observeras direkt med ett atomkraftmikroskop.
"Detta är mycket små rörelser och kompressioner, i storleksordningen några nanometer när omvandlingen börjar, men tillräckligt stora för att kunna mätas exakt med ett mikroskop av den här typen, som på plats övervakar de ytdeformationer som uppstår över övergångstemperaturen." förklarar Ph.D. student Marta Ruiz Ruiz.
Arbetet gör att avglasningen av glaset kan följas i realtid. Det gör det möjligt att kvantifiera dynamiken i avslappningsprocessen i ultrastabila kristaller mot en underkyld vätska genom att direkt mäta avstånden mellan de vätskedomäner som uppstår, samtidigt som man observerar ytans deformation och dess utveckling över tiden. På detta sätt var det möjligt att bekräfta hur dessa avstånd mellan vätskeområden är utomordentligt stora i den här typen av glas, och korrelationen mellan dessa avstånd med materialets tidsskalor, som förutspått av beräkningsmodeller.
"Den mikroskopiska beskrivningen vi har uppnått har för första gången möjliggjort en direkt jämförelse mellan beräkningsmodeller och fysisk verklighet. Vi tror att denna teknik också kommer att vara mycket användbar för att utforska glasövergången på mindre tids- och rymdskalor, vilket kommer att möjliggöra en bättre förståelse för övergången i mindre stabilt glas tillverkat av kylda vätskor", avslutar Javier Rodríguez Viejo, forskare vid UAB och ICN2.
Mer information: Marta Ruiz-Ruiz et al, Realtidsmikroskopi av avslappningen av ett glas, Naturfysik (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02125-0
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Autonomous University of Barcelona
