Voor haar onderzoek zit Liesbeth Janssen niet in het lab. Het schoolbord is haar werkterrein.

Foto John van Hamond

‘Glas bevat een van de grootste onopgeloste problemen uit de natuurkunde’

Liesbeth Janssen | Glasonderzoeker Liesbeth Janssen is op zoek naar een allesverklarende theorie over glas. Dat doet ze met behulp van Newtons wetten.

Je drinkt water uit een drinkglas en kijkt door vensterglas naar buiten. Glas is een alledaags materiaal dat al eeuwenlang gebruikt wordt. Toch heeft het ook een mysterieuze kant. „Glas bevat een van de grootste onopgeloste problemen uit de natuurkunde”, zegt theoretisch natuurkundige Liesbeth Janssen van de Technische Universiteit Eindhoven. Het ziet eruit en voelt als een stevige, harde stof. Maar als je inzoomt en naar de structuur kijkt van de atomen en moleculen, dan zie je geen geordende kristalstructuur zoals bij andere vaste stoffen, maar een rommelige, wanordelijke structuur. „Het is alsof je naar een vloeistof kijkt.”

Janssen probeert te verklaren waarom glasachtige materialen niet kunnen stromen ook al hebben ze een wanordelijke, vloeistofachtige structuur. Hiervoor staat ze niet in het lab, maar zit ze achter een bureau om met pen en papier natuurkundige formules – zogeheten bewegingsvergelijkingen – uit te werken. Het whiteboard in haar kantoor staat vol met grafieken en formules.

Wat is glas?

„De bekendste vorm van glas, die gebruikt wordt voor vensters en drinkglazen, is silica. In de alledaagse taal noemen we silica daarom ‘glas’, maar volgens de natuurkundige definitie is glas niet een bepaald materiaal, maar een fase, net zoals vloeibaar en gas. Veel plastics zijn volgens de natuurkundige definitie bijvoorbeeld ook glas.

Veel plastics zijn volgens de natuurkundige definitie ook glas

 

„In welke fase een materiaal zich bevindt en wat de bijbehorende eigenschappen zijn, kun je normaal gesproken achterhalen door naar de structuur van de moleculen en atomen te kijken. In gassen zitten de moleculen ver uit elkaar en kunnen ze veel bewegen. In vloeistoffen zitten de moleculen iets dichter bij elkaar, maar kunnen ze nog steeds langs elkaar stromen. En in veel vaste stoffen zitten moleculen zo dicht mogelijk op elkaar, netjes gerangschikt in een kristalstructuur. Ze hebben dan nauwelijks ruimte meer om te bewegen.

„Een materiaal in de glasfase kun je verrassend genoeg niet herkennen aan de structuur, die is namelijk net zo wanordelijk als bij een vloeistof. Toch is het keihard. Het is een vloeistof die niet meer kan stromen.

„In principe kun je elk materiaal in een glasfase brengen. Net zoals je elke vloeistof in een vaste stof kunt veranderen als je het afkoelt. Denk bijvoorbeeld aan water dat bevriest tot ijs. Om glas te maken moet je voorkomen dat een vloeistof een geordende kristalstructuur vormt. Dat kan bijvoorbeeld door een vloeistof heel snel af te koelen, zodat het geen tijd heeft om te kristalliseren.”

Is het mogelijk dat glas extreem langzaam stroomt?

„Dat zou je kunnen zeggen. Maar de tijdschaal waarop glas stroomt is astronomisch groot. Om het zichtbaar te zien stromen zou je miljarden jaren – langer de leeftijd van het universum – moeten wachten. Voor onze begrippen is het dus een vaste stof.

„Het is een hardnekkige mythe dat in oude, middeleeuwse kathedralen de ramen aan de onderkant dikker zijn omdat het glas langzaam naar beneden is gestroomd. Inmiddels heeft iemand doorgerekend dat die verdikking niet daardoor ontstaan kan zijn. Over een tijdschaal van een paar honderd jaar kan glas niet zoveel stromen. Het is waarschijnlijker dat de glazen door het productieproces niet overal even dik waren en met de zwaarste, en dus de dikste kant naar beneden ingebouwd zijn.”

Wat wilt u beschrijven met een theorie van glas?

„Ik wil kunnen voorspellen bij welke minieme, met het blote oog niet zichtbare verandering van de structuur een stromende vloeistof verandert in een keihard glas. Die structuurverandering is minimaal, maar het resultaat is gigantisch. De atomen en moleculen kunnen ineens nauwelijks meer bewegen.

„We bekijken daarvoor ingezoomde opnames van de structuur van vloeistoffen en glasachtige materialen. Daarin zijn wel veranderingen te zien, maar we kunnen nog niet goed voorspellen of iets een vloeistof is of een glas. Het doel is om een theorie te hebben die op basis van de structuur van een materiaal kan voorspellen of iets een glas is of een vloeistof en die de eigenschappen beschrijft.”

Ik begin met de exacte bewegingswetten van Newton

 

Hoe komt u tot het opstellen van die theorie?

„In de afgelopen decennia zijn er verschillende theorieën ontwikkeld. Veel daarvan baseren zich op experimenten of bepaalde aannames. Ik benader het anders. Ik begin met de exacte bewegingswetten van Newton. Iedereen is het erover eens dat die wetten gelden. Met die wiskundige vergelijkingen beschrijf ik de beweging van atomen en moleculen in een glasachtige vloeistof. Daarmee probeer ik vervolgens de eigenschappen van het materiaal te voorspellen, zoals de manier waarop het stroomt.

„Het oplossen van die formules blijkt vrij ingewikkeld. Er staat een zogeheten onbekende term in, die we niet kennen. Voor die term ontwikkelen we een nieuwe, exacte vergelijking. Die heeft ook weer een onbekende term, waarvoor we weer een vergelijking ontwikkelen. Hoe langer je daarmee doorgaat, hoe beter je theorie de werkelijkheid beschrijft.

„Om alles exact te beschrijven, moet je oneindig veel van die vergelijkingen oplossen. Dat gaat ons in de praktijk nooit lukken. Op een bepaald moment moet je een benadering geven voor een onbekende term.

„Ik heb vertrouwen, ook dankzij mijn fantastische promovendi en postdocs, dat het mogelijk is om zo tot een benadering te komen die goed de glasfase beschrijft.”

Een goede glas-theorie kan voorspellen hoe een vloeistof verandert in een glas

 

Waarvoor kan een theorie van glas gebruikt worden?

„Een goede glas-theorie kan voorspellen hoe een vloeistof verandert in een glas. Dat kun je bijvoorbeeld gebruiken om nieuwe materialen met bepaalde eigenschappen te ontwikkelen, zoals plastics die net zo goed smelten en om te vormen zijn als glas, zodat je ze beter kan recyclen.

„Verder heeft het toepassingen in de biologie. De structuur van niet-bewegende cellen in het lichaam is vergelijkbaar met de manier waarop moleculen vastzitten in een glas. Uit onderzoek met astmapatiënten blijkt dat dit medische consequenties kan hebben.

„Bij gezonde mensen bewegen de epitheelcellen – die de longen aan de binnenkant bedekken – nauwelijks. Ze zitten in een glasfase. Bij astmapatiënten zijn die cellen beweeglijker. De overgang naar een glasfase lijkt dus uitgesteld bij astmapatiënten. Verder blijkt de glasfase een rol te spelen bij wondgenezing en in de groei van embryo’s, waar cellen naar de juiste plek moeten stromen om daar stevig te worden en organen en weefsel te vormen. We beseffen pas sinds kort dat de fysica van glas hierbij een rol speelt.”

Valt u in een zwart gat als de theorie af is?

Lacht. „Dat zal nog wel even duren. Maar ik heb ernaast ook ander onderzoek lopen, gelukkig. En als we een theorie hebben die het redelijk goed doet, dan kunnen we het in de praktijk gaan gebruiken om materialen te gaan ontwerpen. Dus ik ben niet bang voor een zwart gat.”