Du tror, at du ved, hvad glas er: Noget man drikker af, og noget man bruger til at lave vinduesruder. Men glas er faktisk en bred betegnelse, der dækker over alle væsker, som i nedkølet tilstand bliver til en hård struktur.
På Roskilde Universitet sidder en forskergruppe på grundforskningscentret ’Glas og Tid’, som arbejder med væsker. Overordnet set arbejder Glas og Tid på at forstå, hvad der sker med væsker, når de bliver kølet ned. Men ved at lave trykeksperimenter med væskerne, har forskerne fået et ekstra redskab, som samtidig også har ført dem til en ny og uventet viden – at nogle væsker er mere ’simple’ end andre.
Forskergruppen er dermed blevet klogere på alle væsker, også dem der er langt fra glastilstanden (Den fjerde tilstandsform udover fast, flydende og gas).
»I lang tid har vi troet, at vi skulle prøve at forstå alle væsker på én måde, men nu har vi fundet ud af, at der er en klasse af væsker, som er særligt simple. Ud fra det kan man så lave en basismodel, som også kan danne grundlag for en bedre forståelse af mere komplicerede væsker,« siger lektor Kristine Niss fra Glas og Tid på RUC.
HVAD ER EN GLAS?
Simple, organiske væsker bliver ekstremt seje, når de bliver kølet meget ned. Til sidst størkner de og bliver til 'en glas' - en fast struktur.
Forskergruppens resultater blev publiceret i oktobernummeret af Nature Physics.
Trykeksperimenterne adskiller de to parametre, som normalt kendetegner en nedkølet væske: At den trækker sig sammen, og at dens molekyler bevæger sig langsommere, hvilket gør den tyktflydende.
Når man sætter væskerne under tryk, ændrer man kun volumen på væsken og ikke hastigheden på molekylerne inde i den. Det vil sige, at den trækker sig sammen og bliver sejtflydende, uden at temperaturen ændres.
Volumen i den nedkølede væske, i dette tilfælde en silikoneolie, viste sig dog at hænge meget mere sammen med temperaturen, end man anede.
»Der var en meget stor overensstemmelse mellem virkningen af ændringer i volumen og temperaturen. For at vide noget om væsken, behøver jeg ikke både at vide, hvad volumen og temperaturen er hver for sig – jeg skal bare vide, hvad kombinationen af de to er,« siger Kristine Niss og fortsætter:
»Typisk vil vi kende dem begge to, men det er et led i vores fornyede forståelse, at vi skal se det som to sider af samme sag.«
Sammenhængen mellem volume og temperatur gælder dog kun for nogle væsker, de såkaldte ’simple’ væsker, og pludselig havde forskerne en ny klassifikation af de væsker, som de har arbejdet med siden grundforskningscentrets start i 2005.
Væskernes inddeling i ’simple’ (f.eks. olie og smeltet metal) og ’komplicerede’ (f.eks. vand og alkohol) fik en masse brikker til at falde på plads, fortæller professor Jeppe C. Dyre, som er centerleder ved Glas og Tid.
Viskositet dækker over, hvor tyktflydende en væske er. Forestil dig for eksempel flydende glas hos glaspusteren, som starter som en varm væske med lav viskositet. Jo koldere og hårdere glasset bliver, indtil det til sidst størkner, jo højere er viskositeten.
Viskositet er en afgørende faktor i mange produktionsprocesser, for ud fra den kan man skaffe oplysninger om råvarers, halvfabrikata og slutprodukters konsistens og ’hældbarhed’.
»Der ikke nogen, der rigtig for alvor har stillet spørgsmålet ’hvad er en simpel væske?’ før, men da vi gjorde, var der pludselig en masse ting, der gav mening. Det viste os, at vi måtte have fat i et eller andet,« siger han.
Forskerne fandt for eksempel ud af, at smeltevarmen i en simpel væske divideret med temperaturen er uafhængig af trykket. Hvis man for eksempel har en balje vand med isterninger og begynder at tilføre varme, så vil isen smelte, før temperaturen stiger. Smeltevarmen er et udtryk for, hvor meget energi der skal ind, for at temperaturen reelt begynder at stige.
Sagt med andre ord har forskerne vist, at det er muligt at forudsige en væskes opførsel, for eksempel om den bliver mere tykt- eller tyndtflydende, under ekstremt høje tryk ud fra målinger ved normalt tryk. Så nu kan man ved at sætte væsken under normalt tryk sige noget om, hvad der sker med væsken helt op til 10.000 atmosfæres tryk.
Helt overordnet betyder de principper, som forskerne har fundet for de simple væsker, at de nu har en regel for, hvordan væskerne opfører sig under alle mulige tryk.
Det er ph.d.-studerende Ditte Gundermann, som er førsteforfatter på artiklen, der blev publiceret i oktobernummeret af Nature Physics. Hun har også foretaget flere rejser til USA for at lave målinger, som laboratoriet herhjemme ikke havde udstyr til.
Og selvom reglerne kun gælder for de simple væsker, kan den nye klassifikation også hjælpe forskerne med at forstå de mere komplicerede væsker. Med en basismodel bliver det nemlig lettere at pege ud, præcis hvor en kompliceret væske adskiller sig fra normen og på hvilken måde.
I første omgang er der tale om ren grundforskning, fortæller Jeppe C. Dyre. Men en forståelse af væsker under ekstreme tryk er relevant i en række sammenhænge: For eksempel er store dele af Jordens indre flydende sten, som er under ekstreme tryk og temperaturer, og det er vigtigt at kende viskositeten for at kunne forudsige flydeprocesser i Jordens indre, kontinentaldrift osv.
»Et andet eksempel er forståelse af noget så simpelt som smøreoliers egenskaber – i motorer udsættes denne væske for høje tryk og temperaturer,« siger Jeppe C. Dyre.
De simple væsker er blevet overset indtil nu af flere grunde. Først og fremmest var man ikke klar over, at de var så simple, så der kunne laves et så generelt og overordnet regelsæt for dem, som forskerne ved Glas og Tid nu har gjort.
Den mest komplicerede væske er overraskende nok vand, blandt andet fordi den har mange retningsbestemte bindinger i sine molekyler.
Det betyder, at to vandmolekyler vil ’holde i hånden’ på ét bestemt sted, mens en simpel væske ikke har nogen retningsbestemte bindinger og derfor er ligeglad, hvor den holder i hånden med andre molekyler.
Derudover har der inden for forskningsmiljøet været en tendens til at undersøge mere og mere komplicerede væsker, på trods af at man endnu ikke havde forstået de simple, fortæller lektor Kristine Niss:
»Vi er på den måde gået lidt imod strømmen. I stedet for at kigge på de indviklede og komplicerede væsker, er vi gået den modsatte vej, og det viste sig at være en klog beslutning.«
Forsøget blev udført af ni forskere fra Glas og Tid i samarbejde med tre forskere fra Naval Research Laboratory (Wahington D.C., USA) og én forsker fra University of California (Berkeley, USA). Nu skal de i gang med at finde ud af, hvor mange simple væsker der findes, hvorfor de simple væsker er så simple og i hvor høj grad deres modeller kan bruges til at forstå mere komplicerede væsker.
»Det er den første artikel som eksperimentelt undersøger det her, og indtil videre har vi kun afprøvet karakteriseringen af simple væsker på en silikoneolie og på computermodeller. Overensstemmelsen mellem det, vi har forudsagt og stoffernes reaktion i computersystemet, er næsten for god. Altså, det er næsten mere rigtigt, end vi ville have troet – så nu skal vi have det afprøvet i virkeligheden for flere væsker,« siger Kristine Niss.
