Schmelzende Gläser: Das Glas

Feature vom 24. März 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Der Prozess des Übergangs von Flüssigkeit zu Glas ist in der Wissenschaft ein komplexer Vorgang, ebenso wie der Übergang von Glas zu Flüssigkeit, der als Glasschmelzen bezeichnet wird. In einem neuen, in Science Advances veröffentlichten Bericht haben Qi Zhang und ein Forschungsteam für Physik an der Hong Kong University of Science and Technology in China kolloidale Gläser durch Aufdampfen zusammengesetzt und geschmolzen, um die Dynamik des Glasübergangs zu beobachten.

Die strukturellen und dynamischen Parameter gesättigten in unterschiedlichen Tiefen, um eine Oberflächenflüssigkeitsschicht und eine glasartige Zwischenschicht zu definieren. Die Wissenschaftler beobachteten Einzelpartikelkinetiken mit verschiedenen Merkmalen, um die theoretischen Vorhersagen zum Schmelzen der Glasoberflächenschicht zu bestätigen.

Der Prozess des Glasschmelzens ist nicht, wie angenommen, ein umgekehrter Prozess des glasbildenden Übergangs von Flüssigkeit zu Glas. Der Mechanismus des Glasschmelzens befindet sich im Gegensatz zum intensiv untersuchten Mechanismus der Glasbildungsübergänge im Anfangsstadium der Entwicklung. Ultrastabile Gläser zeigten ein heterogenes Oberflächenschmelzen in einem Mechanismus des Oberflächenvorschmelzens, um ein Schmelzen von innen zu verhindern.

Polymerwissenschaftler hatten atomare und molekulare ultrastabile Gläser untersucht und Kolloide als hervorragende Modellsysteme zur Untersuchung des Glasschmelzverhaltens aufgrund von Partikeln im Mikrometerbereich und thermischen Bewegungen beschrieben, die mittels optischer Mikroskopie betrachtet werden können. Kolloide liefern wichtige mikroskopische Informationen über Glasmassen, einschließlich Einblicke in das scherinduzierte Schmelzen von Glasmassen.

Forscher müssen das thermisch induzierte Massen- oder Oberflächenschmelzen auf Einzelpartikelebene noch untersuchen, da hierfür Kolloide mit einstellbarer Anziehung erforderlich sind. In dieser Arbeit verwendeten Zhang und Kollegen attraktive Kolloide, um die mikroskopische Kinetik in verschiedenen Temperaturbereichen zu messen, langsame und schnelle Temperaturänderungen für einschichtige und mehrschichtige Proben zu untersuchen und deren Vorschmelz- und Schmelzbahnen zu verstehen.

Während der Experimente verwendeten Zhang und das Team eine 50:50-Mischung aus Polymerkügelchen, um die Kristallisation zu verhindern, und fügten einen Farbstoff hinzu, um eine Anziehung zwischen den Polymethylmethacrylatkügelchen zu erzeugen. Sie pumpten den Farbstoff mittels Thermophorese in den nicht erhitzten Bereich, um die Anziehungskraft zu verringern und gleichzeitig die effektive Temperatur linear zu erhöhen.

Die Ergebnisse führten zu einschichtigen und mehrschichtigen Kolloiden. Das Team baute die kolloidalen Gläser durch Aufdampfen zu ultrastabilen molekularen Gläsern zusammen. Sie zeichneten die Partikel mittels optischer Mikroskopie auf und verfolgten die Brownschen Bewegungen der Partikel mittels Bildanalyse.

Die Wissenschaftler stellten bei 25,3 Grad Celsius vollständige Schmelzübergänge fest. Während des Vorschmelzprozesses des Kristalls hatten Forscher das Potenzgesetzwachstum der Oberflächenflüssigkeitsdicke theoretisch vorhergesagt und die Ergebnisse experimentell und mit Simulationen beobachtet. Das Team quantifizierte die Beziehung zwischen der lokalen Struktur und der Dynamik, wobei der Bereich mit geringer Dichte in der Nähe der Oberfläche das Modenkopplungsübergangsverhalten von fragilem Glas aufwies, während der Bereich mit hoher Dichte in der Nähe der Masse das Arrhenius-Verhalten von starkem Glas aufwies.

Dieser Übergang von zerbrechlich zu stark mit abnehmender Temperatur wurde auch in Wasser, metallischen Gläsern und organischen/anorganischen Gläsern beobachtet. Der vorliegende Forschungsschwerpunkt auf der strukturdynamischen Korrelation von Glasmassen und unterkühlter Flüssigkeit stellte einen Zusammenhang in der Nähe der Oberfläche her.

Während die einschichtigen und zweischichtigen kolloidalen Kristalle ein deutlich unterschiedliches Vor- und Schmelzverhalten an der Oberfläche zeigten, behielten die einschichtigen und mehrschichtigen kolloidalen Gläser während des Schmelzens und Vorschmelzens Ähnlichkeiten bei. Das Schmelzen von Kristallen wird typischerweise durch einen plötzlichen Anstieg der Temperatur über den Schmelzpunkt beobachtet. Um dies zu ermöglichen, änderte das Team abrupt den Temperaturmodus, um sowohl Schmelz- als auch Vorschmelzprozesse im Glas zu untersuchen.

Die Glasübergangstemperatur war bei schnellen Temperaturänderungen niedriger als bei langsamen Temperaturänderungen. Die zweischichtigen und dreischichtigen Gläser, die einem schnellen Temperaturwechsel ausgesetzt waren, zeigten ein ähnliches Vorschmelzverhalten. Die Forscher hatten die konstante Schmelzgeschwindigkeit in ultrastabilem Glas bereits ohne experimentellen Test und mit Simulationen beobachtet, was mit den Beobachtungen dieser Studie übereinstimmte.

Zhang und das Team stellten kooperative Umlagerungsregionen fest, die für die Entspannung des Glases in der Nähe der Oberfläche entscheidend sind. Sie definierten diese Regionen als Cluster aus mindestens zwei beweglichen Teilchen und gingen davon aus, dass diese einen kompakten Kern enthalten, der von einer fadenförmigen Hülle umgeben ist.

Als die effektive Temperatur mit der Zeit zunahm, veränderte sich die Morphologie des Materials von einer kompakten zu einer fadenförmigen Zusammensetzung, wie es bei Massengläsern vorhergesagt und beobachtet wurde. Während des Erhitzungsprozesses änderte sich der polarisierte kooperative Umlagerungsbereich auf der Oberfläche des einschichtigen Glases von parallel zu nahezu senkrecht, um das Schmelzen zu erleichtern. Das Umgekehrte galt für diese Bereiche beim Glaswachstum durch Aufdampfen.

Auf diese Weise führten Qi Zhang und Kollegen eine Einzelpartikelkinetik durch, um zwei Oberflächenschichten im Glas freizulegen. Die Flüssigkeitsschicht auf der Oberseite blieb bei einer festgelegten Temperatur stabil, anstatt sich in die Masse auszubreiten, was eher auf ein Vorschmelzen als auf ein Schmelzverhalten hindeutet. Sie stellten Ähnlichkeiten zwischen Glas und Kristallen während des Prozesses des Vorschmelzens und Schmelzens fest. So zeigten gewöhnliche Gläser ein keimbildungsartiges Massenschmelzen, ähnlich wie Kristalle, um den thermodynamischen Ursprung des Glasübergangs zu belegen. Polymerwissenschaftler befinden sich noch im Anfangsstadium der Untersuchung des Glasoberflächenschmelzens, was theoretische und experimentelle Details auf Einzelpartikelebene erfordert.

Bisher konzentrierten sich die Simulationen auf die Geschwindigkeit der Schmelzfront und die Übergangstiefe vom Oberflächen- zum Massenschmelzen, während das Konzept des Vorschmelzens von Glas noch eingehend diskutiert werden muss. Auch die Glasoberfläche zeigte im Gegensatz zu den über die Vorschmelztheorie hinausgehenden Kristall-Vorschmelzprozessen eine zusätzliche Glasschicht. Während die hier beobachteten Ergebnisse des Vorschmelz-/Schmelzverhaltens denen von Massengläsern ähneln, stehen sie im Gegensatz zur Verhaltensdynamik von Monoschicht-/Doppelschichtkristallen.

Mehr Informationen: Qi Zhang et al., Oberflächenvorschmelzen und Schmelzen kolloidaler Gläser, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf1101

Hajime Tanaka et al., Enthüllung wichtiger Strukturmerkmale, die in Flüssigkeiten und Gläsern verborgen sind, Nature Reviews Physics (2019). DOI: 10.1038/s42254-019-0053-3

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