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. “Hoe hoger de temperatuur, hoe vrijer de moleculen kunnen bewegen. In een vaste stof bevinden ze zich in een kristalrooster – op een vaste plek, op vaste afstand van elkaar – maar in een vloeistof kunnen ze bewegen zonder een vaste positie ten opzichte van elkaar. In een gasfase zijn die bewegingen nog veel vrijer.”

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.

“Het 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.”

Om de glasfase beter te begrijpen, onderzoeken Laudicina en zijn collega’s 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.

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

Complexe computersimulaties

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

“Dit pekdruppelexperiment laat zien hoe stroperig een vloeistof kan worden. Pek – een stroperig bestanddeel van asfalt – 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.”

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 – die volgens Laudicina vooral “naar eenvoud streven” – naar computersimulaties.

“We 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.”

Dankzij deze simulaties – zo complex dat hij deze via het TU/e Supercomputing Center uitvoerde – 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.

“Een 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.”