黑料福利网

Voordat we het glasmysterie induiken, neemt theoretisch natuurkundige Corentin Laudicina ons even mee terug naar de middelbare school-natuurkunde. Want hoewel hij zelf al jaren bezig is met wat er nu precies tijdens de glasovergang in een materiaal gebeurt, begrijpt hij ook goed dat zijn onderzoek niet het makkelijkste is om zo even aan de kantinetafel uit te leggen.

Volgens de schoolboeken kennen we drie verschillende toestanden waarin materie zich kan bevinden: gas, vloeistof en vast. Denk aan waterdamp, vloeibaar water en ijs. De moleculen waaruit het materiaal bestaat zijn hetzelfde, maar de manier waarop ze kunnen bewegen verschilt sterk, legt Laudicina uit.

Hij pakt zijn proefschrift erbij en laat een figuur uit het inleidende hoofdstuk zien. 鈥淗oe hoger de temperatuur, hoe vrijer de moleculen kunnen bewegen. In een vaste stof bevinden ze zich in een kristalrooster 鈥� op een vaste plek, op vaste afstand van elkaar 鈥� maar in een vloeistof kunnen ze bewegen zonder een vaste positie ten opzichte van elkaar. In een gasfase zijn die bewegingen nog veel vrijer.鈥�

Vloeibaar drinkglas

Maar naast deze drie bekende fases, bestaat er ook een vierde fase waarin een materiaal kan terechtkomen wanneer je het snel genoeg afkoelt: de glasfase. En daar is iets bijzonders mee aan de hand, vertelt Laudicina.

鈥淗et vreemde aan een materiaal in de glasfase is dat het zich gedraagt als een vaste stof, terwijl de interne structuur meer op die van een vloeistof lijkt. Er is geen strak kristalrooster, maar een ongeordende structuur. Een drinkglas is dus in zeker zin vloeibaar.鈥�

Om de glasfase beter te begrijpen, onderzoeken Laudicina en zijn collega鈥檚 van de onderzoeksgroep Soft Matter & Biological Physics daarom specifiek wat er gebeurt wanneer een vloeistof wordt afgekoeld. Daarbij kijken ze onder meer naar de viscositeit: hoe stroperig een materiaal is.

鈥淎ls de temperatuur daalt, bewegen de moleculen steeds minder makkelijk. Rond de glasovergang neemt de viscositeit echter extreem snel toe 鈥� veel sneller dan je zou verwachten. En toch verandert de interne structuur van het materiaal nauwelijks. Dat is de kern van het glasmysterie.鈥�

Complexe computersimulaties

Op zijn laptop laat Laudicina de zien van een beroemd experiment van de Australische University of Queensland. We zien een omgekeerde trechter met een onbeweeglijke, zwarte inhoud.

鈥淒it pekdruppelexperiment laat zien hoe stroperig een vloeistof kan worden. Pek 鈥� een stroperig bestanddeel van asfalt 鈥� is bij kamertemperatuur keihard. Maar eigenlijk is het een extreem viskeuze vloeistof. Zo stroperig dat er gemiddeld maar eens in de tien jaar een druppel uit die trechter valt.鈥�

Om te begrijpen waarom materialen zich tijdens de glasovergang zo anders gedragen dan je op basis van hun structuur zou verwachten, moet je de beweging van miljoenen deeltjes gedurende lange tijd kunnen volgen. Een microscoop kan dat niet rechtstreeks. Dus grijpen theoretisch natuurkundigen 鈥� die volgens Laudicina vooral 鈥渘aar eenvoud streven鈥� 鈥� naar computersimulaties.

鈥淲e hebben de moleculaire complexiteit van echte vloeistoffen teruggebracht tot een modelvloeistof: een systeem van perfect bolvormige deeltjes die op relatief eenvoudige manieren met elkaar reageren.鈥�

Dankzij deze simulaties 鈥� zo complex dat hij deze via het 黑料福利网 Supercomputing Center uitvoerde 鈥� kon Laudicina laten zien dat sterke veranderingen in de viscositeit te maken hebben met heterogeen bewegende deeltjes.

Druk festival

Niet alle deeltjes in een supergekoelde vloeistof bewegen namelijk even snel: sommige bewegen nauwelijks, terwijl andere groepjes vormen die zich gezamenlijk verplaatsen.

鈥淓en beetje zoals op een festival, waar in de drukke stukken iedereen een beetje moet bewegen als je een biertje wilt halen achter op het veld.鈥�

Laudicina onderzocht hoe deze clusters veranderen naarmate de vloeistof afkoelt en hoe dit samenhangt met het geleidelijk trager worden van de vloeistof tijdens de glasovergang.

Door de verschillende clusters nauwkeurig te meten en ze gedurende langere tijd te volgen, ontdekte Laudicina iets opvallends. Naarmate de vloeistof afkoelt, worden de clusters aanvankelijk groter. Maar onder een bepaalde temperatuur beginnen ze juist weer kleiner te worden.

Oudere theorie毛n, die geen rekening houden met deze clusters, voorspelden dat ze onbeperkt zouden blijven groeien, waardoor de vloeistof plotseling zou vastlopen. Volgens de bevindingen van Laudicina gebeurt juist het tegenovergestelde: de clusters zetten als het ware zelf een natuurlijke rem op hun groei. Dat verklaart volgens hem waarom er in het laboratorium en in computersimulaties geen abrupte overgang wordt waargenomen.

鈥淥nze vergelijkingen misten een soort terugkoppeling鈥�, legt hij uit. 鈥淶e konden voorspellen dat de clusters zouden groeien, maar niet dat die groei zichzelf uiteindelijk zou afremmen. Toen we die terugkoppeling eenmaal in de theorie hadden ingebouwd 鈥� en dat was bepaald geen eenvoudige klus 鈥� verdween de scherpe overgang die de theorie eerder voorspelde. Wat overbleef kwam bijna perfect overeen met wat we in de simulaties zien.鈥�

Van glas naar kankercellen

Volgens Laudicina kan de ontdekking een nieuw perspectief bieden op het onderzoek naar de glasovergang. Toch benadrukt hij meteen dat het vooral om fundamenteel onderzoek gaat.

鈥淥p intellectueel niveau kan dit zeker belangrijk zijn. We begrijpen nu beter hoe processen in de glasfase werken. En het interessante is dat deze natuurkunde niet ophoudt bij vloeistoffen.鈥�

鈥淣eem een tumor. De cellen in een weefsel zitten net zo dicht op elkaar als de deeltjes in onze simulaties. Ze kunnen op een vergelijkbare manier vast komen te zitten, maar ook plotseling weer gaan bewegen en het omliggende weefsel binnendringen. Binnen onze groep werken we samen met celbiologen om dit vanuit een natuurkundig perspectief te onderzoeken. Er zijn sterke aanwijzingen dat deze cellen iets doormaken wat sterk lijkt op een glasovergang. Dat is een heel interessante link.鈥�

En verrassend genoeg stopt het daar niet, onderstreept Laudicina tot besluit.  Ook in de informatica en machine learning zijn vergelijkbare natuurkundige problemen te vinden.

鈥淛e moet daarom uitkijken dit soort onderzoek enkel te bestempelen met 鈥榳eten om het weten鈥�. Juist omdat dezelfde idee毛n steeds weer opduiken op plekken waar je ze niet verwacht, is het zeker de moeite waard ze fundamenteel te doorgronden.鈥�

Dit artikel is overgenomen van Cursor, de onafhankelijke nieuwssite van de 黑料福利网. Het is geen persbericht en is auteursrechtelijk beschermd. Zodoende mag niets uit deze publicatie zonder uitdrukkelijke toestemming van de  worden overgenomen.