Zelfs de ruiten stromen

Glas is hard en breekbaar. Tenzij het verhit wordt. Dan is het makkelijk te vervormen, en begint het zelfs te stromen. Natuurkundigen beginnen te begrijpen hoe dat komt.

Margriet van der Heijden

Glas is geen onderwerp waarover studenten natuurkunde al onderwezen worden. Tijdens de colleges gaat het vooral over kristallen. Over materialen dus waarin atomen en moleculen netjes gerangschikt zijn in rijen en kolommen of in ingewikkelder patronen. Het amorfe glas, waarin moleculen of atomen kriskras door elkaar zitten, komt er bekaaid af. “En ik denk dat dat komt doordat we glas zo slecht begrijpen”, zegt fysicus Peter Schall van de Universiteit van Amsterdam. Met twee collega’s van Harvard University heeft Schall proeven gedaan die voor het eerst meer inzicht geven in de driedimensionale wanorde in glas (Science, 21 december).

Het is vreemd dat natuurkundigen over glas nog zo onwetend zijn, vindt Schall. “Als je even kijkt, kun je zien dat de meeste materialen hier om ons heen glasachtig zijn”, zegt hij. Niet alleen de grote ramen van zijn kamer in het VanderWaals-Zeemaninstituut of de theeglazen op tafel, wijst hij, maar ook de plastic behuizing van pc en laptop bijvoorbeeld. “De lange polymeren daarin vormen ook glasachtige structuren.”

Kenmerkend daarvoor is het ontbreken van ordening. Wanneer gloeiend heet, vloeibaar glas afkoelt, blijven de atomen en moleculen net zo ordeloos door elkaar zitten als toen ze nog kriskras in de vloeistof door elkaar bewogen. Op microscopische schaal ziet glas eruit als een vloeistof die instantaan bevroren is.

En in wezen is glas ook een vloeistof, zegt Schall, maar dan een heel stroperige. Eentje die zo langzaam stroomt dat het onzichtbaar is op de tijdschalen waarin mensen denken. Schall: “In de loop van een leven zul je geen stroming opmerken.” Maar de individuele atomen of moleculen hebben dus wél een beetje bewegingsvrijheid, ook al lijken de rommelig op elkaar gepakte deeltjes elkaar vooral in de weg te zitten.

Met een snelle microscoop brachten Schall en zijn collega’s de bijbehorende kleine verplaatsingen van de atomen of moleculen her en der in kaart. En daarna brachten ze die in verband met het stromen van glas.

Echt glas met een microscoop doorlichten op de schaal van individuele atomen is ondoenlijk. Daarom gebruikten Schall en zijn collega’s een modelsysteem: een oplossing van colloïdale deeltjes. Dat zijn bolletjes met een diameter kleiner dan die van een haar, en zo licht dat ze vrij door de oplossing zweven. De willekeurige bewegingen van die zwevende deeltjes in de oplossing, de zogeheten Brownse bewegingen, laten zich goed vergelijken met het krioelen van atomen en moleculen in vloeibaar glas. In beide gevallen is warmte, ofwel thermische energie, de drijfveer achter de bewegingen.

namaakglas

In een centrifuge werden de bolletjes daarna razendsnel op elkaar geperst tot een blok van bolletjes die elkaar in hun bewegingsvrijheid frustreerden. Als in een verkeersopstopping waarin iedereen kriskras door elkaar staat. Ofwel: als in een glas. “En met dat systeem maken we een sprong vooruit ten opzichte van eerdere proeven en van computersimulaties die tien jaar geleden werden gemaakt”, zegt Schall. “We bekijken nu voor het eerst een écht systeem, in dríe dimensies en bij een realistische temperatuur.”

Om stroming op te wekken, werd het modelsysteem vervolgens gemangeld op de manier waarop kinderen in elkaars pols ‘prikkeldraad’ namaken. Dus door aan de boven- en aan de onderkant van het bolletjesblok een tegengesteld gerichte kracht uit te oefenen, parallel aan het oppervlak. Dat levert een ‘schuifspanning’ op die het materiaal dwingt zich te vervormen. Schall: “Eigenlijk stop je via die spanning extra energie in het systeem.”

In het ‘namaakglas’ gebeurde toen precies wat de Amerikaanse natuurkundigen Michael Falk en Jim Langer in 1998 voorspeld hadden. Er ontstonden kleine gebiedjes waarin bolletjes van plek verwisselden en zo ook naburige bolletjes dwongen om een beetje in te schikken. Langer en Falk noemden dat ‘schuiftransformatiegebiedjes’, gebiedjes dus waarvan de structuur door kleine verschuivingen transformeert.

“We denken dat die gebiedjes altijd al in het glas zitten, maar dat ze nu eens de ene gedaante aannemen en dan weer een andere. Dat komt doordat de moleculen en atomen sowieso een beetje bewegelijk zijn dankzij hun thermische energie. Maar wanneer extra energie wordt toegevoerd door zo’n schuifkracht, dan schieten de gebiedjes definitief in een van die standen. Hun verplaatsingen, in de richting van de schuifkracht, leiden dan tot vervorming op macroschaal ”, zegt Schall.

Elk gebiedje zelf strekt zich maar tot over een paar bolletjes uit, want in de dominoketen van verschuivingen worden de verplaatsingen al snel onmerkbaar klein. “Maar iets verderop in het materiaal kan een minieme verplaatsing ineens weer net het zetje geven dat een bolletje daar nodig heeft om een flink eind op te schuiven.” Met een nieuw schuiftransformatiegebiedje tot gevolg. Als de schuifkrachten worden opgevoerd, kan zo een heel netwerk van schuifgebiedjes ontstaan, dat stroming toestaat en vervorming.

Snowboard

Glasblazers worden hier niet echt mee vooruit geholpen. Zij werken meestal met glas dat zo heet is dat het stroomt als een dunne vloeistof. Maar de studie is wél belangrijk om de vervormbaarheid en de broosheid te begrijpen van de opkomende klasse van metallische glazen, zo schrijft glasspecialist Michael Falk van de universiteit van Michigan in een begeleidend commentaar in Science. Die materialen, metalen met een glasstructuur, zoals de naam al zegt, worden gebruikt in uiteenlopende producten als ruimtesondes, snowboarden, of in biomedische toepassingen. En ze zijn befaamd om hun kracht en hun elasticiteit. Tot het moment waarop ze, ineens, breken.

Waar dat punt ligt, en hoe de breuk tot stand komt, dat wordt onderwerp van vervolgonderzoek, zegt Peter Schall.