Den såkaldte glasovergang er den proces, hvorved nogle væskeagtige materialer bliver solidlignende uden at danne en krystallinsk struktur. I modsætning til konventionelle faste materialer, der udviser et ordnet atomarrangement, er glas kendetegnet ved en forstyrret atomstruktur.
Forskere ved Soochow University, Nanyang Technological University og Beijing Institute of Technology gennemførte for nylig en undersøgelse, der undersøgte virkningerne af overfladegruppe på glasovergangen, der blev observeret i langstrakte partikler kaldet kolloidale ellipsoider. Deres papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbreveviser, at introduktion af små uregelmæssigheder på overfladen af disse partikler for at øge deres ruhed kan forstyrre deres overgang til glas.
“En af de centrale debatter omkring glasovergangen er forholdet mellem struktur og dynamik i glasdannende væsker,” fortalte Dr. Ran Ni, seniorforfatter af papiret, til LektieForum. “Tidligere undersøgelser har identificeret forskellige strukturelle træk, der potentielt er knyttet til dynamisk heterogenitet, et fænomen, der bliver endnu mere udtalt i glasovergangen af anisotrope partikler.”
Det centrale mål med den nylige undersøgelse fra Dr. Ni og hans kolleger var at undersøge den veldokumenterede sammenhæng mellem strukturen og dynamikken i anisotrope systemer (dvs. systemer, der udviser egenskaber, der varierer afhængigt af den orientering, i hvilken målinger indsamles), især monolags kolloidale ellipsoider. Forskerne ønskede at afgøre, om denne korrelation forblev robust efter indførelsen af mindre ændringer af formen af partiklerne, hvilket ændrede deres overfladefremhed.
“Det er vigtigt, at disse ændringer ikke kvalitativt ændrer systemets samlede strukturelle egenskaber, hvilket giver os mulighed for at isolere deres indflydelse på dynamikken,” sagde Dr. Ni.
For at undersøge virkningerne af de ændringer, de introducerede på dannelsen af glas i kolloidale monolag, udførte forskerne både eksperimenter i virkeligheden og molekylære dynamik-simuleringer. I deres eksperimenter undersøgte de et kolloidalt system, der kan visualiseres direkte ved hjælp af et optisk mikroskop, da dette gjorde det muligt for dem at analysere individuelle partikler inde i det.
“Ved nøjagtigt at kontrollere morfologien af kolloidale partikler undersøgte vi systematisk, hvordan subtile variationer i form påvirker systemets opførsel,” forklarede Dr. Ni. “Som komplement til eksperimenterne udførte vi molekylær dynamik -simuleringer af anisotrope partikler, modellering af ellipsoide partikler belagt med små kugler for at efterligne det eksperimentelle system. Denne dobbelte tilgang gjorde det muligt for os at få dybere indsigt i, hvordan overfladefremhed ændrer glasovergangen.”
Dr. Ni og hans kolleger fandt ud af, at selvom overfladen ruhed af kolloidale ellipsoider ikke påvirker deres strukturelle træk, kan de dramatisk ændre deres dynamiske egenskaber. Faktisk ved at introducere små uregelmæssigheder på overfladen af disse partikler var teamet i stand til at forhindre dem i at skifte til det såkaldte orienteringsglas, hvor rotationen af partikler er glasagtig, mens deres translationelle bevægelse forbliver væske-lignende.
“Specifikt observerede vi, at to-trins glasovergangskarakteristikken for glatte kolloidale ellipsoider forsvinder, når selv en lille grad af overfladefremhed indføres,” sagde Dr. Ni. “Dette resultat udfordrer generaliteten af struktur-dynamikkorrelationen i glasdannende væsker og antyder, at overfladefremhed kan tjene som en ny designparameter til indstilling af de dynamiske og mekaniske egenskaber ved glasagtige materialer.”
Det nylige arbejde fra dette team af forskere fremmer fysikfællesskabets forståelse af glasovergangen, samtidig med at man indfører en lovende tilgang til at indstille materialernes egenskaber. I fremtiden kunne det informere konstruktionen af materialer til en lang række formål, lige fra bløde robotter til forbrugerprodukter.
“Når vi bevæger os fremad, planlægger vi at undersøge, hvordan overfladefremhed påvirker den dynamiske samling af anisotrope partikler,” tilføjede Dr. Ni. “Vores mål er at etablere en generel forbindelse mellem overfladefremhed og den kollektive dynamik af ru partikler. Hvis det lykkes, kunne denne forskning åbne nye veje til design af funktionelle bløde materialer med skræddersyede mekaniske egenskaber, hvilket giver en yderligere grad af kontrol inden for materialeteknik.”