Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Het vervaardigen van glas heeft de mensheid al duizenden jaren onder de knie. Glasvorming geldt echter binnen de theoretische natuurkunde nog steeds als een van de grootste onopgeloste problemen van onze tijd. Welke complexe fysica zit verscholen in zo’n alledaags materiaal?

Auteur: Liesbeth Janssen

Glazen zijn amorfe vaste stoffen, dat wil zeggen dat ze zich gedragen als een vaste stof, maar ze hebben een wanordelijke, vloeistofachtige structuur. Experimenteel is het proces van glasvorming vrij eenvoudig: men neemt een vloeistof en koelt deze snel af tot onder het smeltpunt (zodanig snel dat kristallisatie wordt vermeden). Tijdens deze onderkoeling wordt de viscositeit van de vloeistof steeds hoger; de temperatuur waarbij de vloeistof praktisch niet meer kan stromen (viscositeit η ≥ 10¹² Pa · s) is gedefinieerd als de glasovergang. In principe kan dit proces optreden in vrijwel ieder denkbaar materiaal. Naast de bekende silicaatglazen uit ons dagelijks leven (ruiten, drinkglazen, et cetera) komen we amorfe vaste stoffen bijvoorbeeld ook tegen in plastics, farmaceutische middelen, keramische materialen en colloïdale suspensies. Er zijn zelfs aanwijzingen dat levende cellen een glasovergang kunnen ondergaan.

Ook al weten we al duizenden jaren hoe we een glas moeten maken, de theoretische verklaring voor glasvorming is nog allesbehalve helder. Wat is het probleem? Terwijl de viscositeit tijdens onderkoeling met meer dan vijftien(!) ordes van grootte toeneemt, blijft de structuur van het materiaal nagenoeg gelijk. Met andere woorden, de atomaire rangschikking in een glas of onderkoelde vloeistof is op het oog nauwelijks te onderscheiden van die in een normale vloeistof, maar de dynamische eigenschappen – zoals de viscositeit – zijn spectaculair anders (figuur 1). De glasovergang is dan ook een zeer onconventionele faseovergang die, in tegenstelling tot bijvoorbeeld kristallisatie, niet gepaard lijkt te gaan met significante structurele veranderingen. Een verklaring voor deze mysterieuze structuur-dynamicarelatie zou niet alleen grote implicaties hebben voor de fundamentele fysica en materiaalkunde, maar ook voor andere vakgebieden waarin aspecten van glasachtige dynamica zich manifesteren (bijvoorbeeld bij eiwitvouwing, celmigratie en machine learning). Dit alles maakt glas, als “probably the simplest example of the truly complex” [1], nu al decennialang een van de grootste wetenschappelijke mysteries van de natuurkunde.

Lees het volledige interview in het oktobernummer van het NTvN.