Glas is een bedrieglijk eenvoudig materiaal, transparant en hard, maar eigenlijk heel complex en intrigerend. Het proces waarbij glas van vloeistof naar glas verandert, staat bekend als de "glasovergang" en wordt gekenmerkt door een aanzienlijke vertraging van de dynamiek van het glas, waardoor het glas zijn onderscheidende eigenschappen krijgt.Deze transitie is al jaren een onderwerp van wetenschappelijke nieuwsgierigheid. Een bijzonder interessant punt in dit proces is de opkomst van ‘dynamische heterogeniteit’. Naarmate een vloeistof afkoelt en de glasovergangstemperatuur nadert, wordt de dynamiek coherenter en discontinu.
In een nieuwe studie stellen onderzoekers een nieuw theoretisch raamwerk voor om deze dynamische heterogeniteiten in glasvormende vloeistoffen te verklaren. Deze visie houdt in dat relaxatie in deze vloeistoffen plaatsvindt door lokale herschikkingen, die elkaar op hun beurt beïnvloeden door elastische interacties. Ontspanning is een term in de natuurkunde die verwijst naar het proces van geleidelijk terugkeren van een bepaalde toestand naar een evenwichtstoestand in een bepaald geleidelijk fysiek proces. Door de wisselwerking tussen lokale herschikkingen, elastische interacties en thermische fluctuaties te bestuderen, ontwikkelden de onderzoekers een alomvattende theorie van de collectieve dynamiek van deze complexe systemen.
Het onderzoek werd uitgevoerd door professor Matthieu Wyart van Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in samenwerking met collega's van het Max Planck Instituut in Dresden, de Franse Nationale Academie van Wetenschappen, de Universiteit van Grenoble Alpes en het Centrum voor Systeembiologie in Dresden. De onderzoeksresultaten zijn nu gepubliceerd in Physical Review X.
Het onderzoeksteam stelde een ‘schaaltheorie’ voor om de waargenomen toename van de dynamische correlatielengte in glasachtige vloeistoffen te verklaren. Deze correlatielengte houdt verband met 'thermische ineenstorting', een zeldzame gebeurtenis die wordt veroorzaakt door thermische fluctuaties en die vervolgens een snellere kinetische uitbarsting veroorzaakt.
Het theoretische raamwerk van de studie biedt ook inzicht in de ontleding van Stoke-Einstein, een fenomeen waarbij vloeibare viscositeit deeltjesdiffusie ontkoppelt.
Om hun theoretische voorspellingen te verifiëren, voerden de onderzoekers uitgebreide numerieke simulaties uit onder verschillende omstandigheden. Deze simulaties bevestigden de nauwkeurigheid van hun schaaltheorie en het vermogen ervan om de waargenomen dynamiek van glasachtige vloeistoffen te beschrijven.
Dit onderzoek verdiept niet alleen ons begrip van de dynamiek van glas, maar suggereert ook een nieuwe manier om de eigenschappen van een aantal andere complexe systemen aan te pakken, waaronder hersenactiviteit of het glijden tussen wrijvingsobjecten.
"Ons werk koppelt de groei van dynamische correlatielengten in vloeistoffen aan relaxatie van het instortingstype, wat goed is bestudeerd bij wanordelijke magneten, korrelige materialen en aardbevingen", zegt Matthieu Wyart. "Deze aanpak creëert daarom onverwachte bruggen tussen andere velden. Onze beschrijving van hoe instorting wordt beïnvloed door extrinsieke fluctuaties, inclusief thermische fluctuaties, kan daarom bredere implicaties hebben."