Glas scheint ein gewöhnliches Material zu sein, dem wir jeden Tag begegnen, aber die darin wirkende Physik ist tatsächlich recht komplex und wird von Wissenschaftlern immer noch nicht vollständig verstanden. Einige Glasscheiben, wie zum Beispiel die Buntglasfenster in vielen mittelalterlichen Gebäuden, sind über Jahrhunderte hinweg starr geblieben, da ihre Molekülbestandteile ständig in einem Zustand der Unordnung eingefroren sind. Ebenso sind unterkühlte Flüssigkeiten nicht ganz fest, in dem Sinne, dass ihre Grundteilchen nicht in einem Gittermuster mit Fernordnung haften, aber sie sind auch keine gewöhnlichen Flüssigkeiten, weil den Teilchen auch die Energie fehlt, sich frei zu bewegen. Um die Physik dieser komplexen Systeme aufzuklären, sind weitere Untersuchungen erforderlich.
Nun, in einer Studie veröffentlicht in NaturmaterialienForscher vom Institute of Industrial Science der Universität Tokio verwendeten fortschrittliche Computersimulationen, um das Verhalten grundlegender Teilchen in einer glasigen unterkühlten Flüssigkeit zu modellieren. Ihr Ansatz basierte auf dem Konzept der Arrhenius-Aktivierungsenergie, der Energiebarriere, die ein Prozess überwinden muss, um fortzufahren. Ein Beispiel ist die Energie, die benötigt wird, um einzelne Teilchen in einem ungeordneten Material neu anzuordnen. „Arrhenius-Verhalten“ bedeutet, dass ein Prozess auf zufälligen thermischen Fluktuationen beruhen muss und die Rate exponentiell abnimmt, wenn die Energiebarriere größer wird. Allerdings können Situationen, die eine kooperative Neuanordnung von Partikeln erfordern, noch seltener auftreten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Diese werden manchmal Super-Arrhenius-Beziehungen genannt.
Die neue Studie war die erste, die den Zusammenhang zwischen der strukturellen Ordnung und dem dynamischen Verhalten von Flüssigkeiten auf mikroskopischer Ebene demonstrierte. „Mithilfe einer numerischen Analyse innerhalb eines Computermodells glasbildender Flüssigkeiten haben wir gezeigt, wie grundlegende Partikelumlagerungen die strukturelle Ordnung und das dynamische Verhalten beeinflussen können“, sagt der Hauptautor der Studie Seiichiro Ishino. Das Team zeigte, dass ein Prozess, den sie „T1“ nennen und der die in der Flüssigkeit gebildete Ordnung aufrechterhält, der Schlüssel zum Verständnis der kooperativen Dynamik ist. Wenn ein T1-Prozess die lokale Strukturordnung stört, muss er die unabhängige Bewegung von Partikeln beinhalten, was zu einem normalen Arrhenius-ähnlichen Verhalten führt. Wenn dagegen die T1-Umordnung die lokale Ordnung auf kooperative Weise aufrechterhält, breitet sich ihr Einfluss nach außen aus und führt zu Super-Arrhenius-Verhalten.
„Unsere Forschung bietet uns eine neue mikroskopische Perspektive auf den seit langem gesuchten Ursprung der dynamischen Kooperativität in glasbildenden Substanzen. Wir gehen davon aus, dass diese Erkenntnisse zu einer besseren Kontrolle der Materialdynamik beitragen werden, was zu einem effizienteren Materialdesign und verbesserten Glasherstellungsprozessen führen wird.“ „, sagt der leitende Autor Hajime Tanaka. Dazu kann stärkeres und haltbareres Glas für Smartphones und andere Anwendungen gehören.
