RUC-forskere har fået styr på en sej væske
Glas er en underlig mellemting mellem en væske og et fast stof. Nu har forskere fra RUC og MIT undersøgt eksperimentelt, hvad der egentlig sker, når en væske størkner og til sidst bliver til glas.
Forsøgsopstilling

Forskerne på RUC og MIT brugte mange forskellige forsøgsopstillinger for at blive klogere på, hvordan seje væsker opfører sig. Her er en af dem. (Foto: RUC)

Når en varm bolsjemasse køler af og størkner, er resultatet knasende bolsjer. Den tyktflydende masse er blevet forvandlet til spiseligt glas.

Historien kort
  • Forskere fra RUC og MIT har målt de mekaniske egenskaber af en silikone-olie, mens den blev afkølet og til sidst blev til glas.
  • Syv forskellige eksperimentelle metoder blev taget i brug for at følge, hvordan væsken blev stadig sejere.
  • En bedre forståelse af, hvordan væsker størkner, kan føre til mere holdbart glas, ny medicin og måske også ny viden om Jordens indre.

For fysikere er glas nemlig ikke bare sådan noget, vi drikker af og ser ud igennem. Det er mere generelt en væske, der er holdt op med at flyde – blevet et fast stof – uden at krystallisere. Molekylerne i glas ligger hulter til bulter i stedet for at arrangere sig pænt i et krystalgitter.

Men hvad sker der egentlig, efterhånden som bolsjemassen bliver stadig mere tyktflydende og til sidst bliver helt fast og urokkelig? Hvordan ændrer væskers mekaniske egenskaber sig, når de afkøles og bliver til glas?

Det vil fysikere fra forskningscentret Glas og Tid på Roskilde Universitet (RUC) gerne finde ud af. Og vil man vide mere om de seje væsker, må man eksperimentere. Det er netop, hvad RUC-forskerne har gjort i samarbejde med forskere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA.

Syv eksperimenter skulle i brug

Ved hjælp af syv forskellige eksperimentelle metoder målte forskerne sejheden af en væske, efterhånden som den blev kølet ned. Resultaterne af eksperimenterne, der er udviklet igennem et årti, er beskrevet i en artikel i tidsskriftet PNAS.

»Nu er vi i stand til at måle de mekaniske egenskaber – flydeegenskaberne – i et meget større område, end man har kunnet før. Det har krævet mange år og rigtig meget arbejde at nå dertil,« fortæller Tina Hecksher, der er lektor på Institut for Naturvidenskab og Miljø på RUC og førsteforfatter på den videnskabelige artikel.

Måleinstrument

I et af instrumenterne på RUC blev væsken anbragt imellem to plader, der kan 'vride' væsken. Så kunne forskerne måle den modstand, væsken yder mod at blive deformeret. (Foto: RUC)

Det er nemlig ikke nemt at måle, hvordan væsker opfører sig, efterhånden som de bliver stadig mere seje i det. Der er enorm forskel på at måle på en tyndtflydende væske og så på en, der er lige ved at blive til glas. Det kræver avancerede måleinstrumenter, og dem skulle forskerne fra RUC og MIT først udvikle.

»De viskøse væskers dynamiske egenskaber er ekstremt temperaturafhængige. Men det lykkedes os at måle over et stort temperaturområde ved hjælp af de mange forskellige målemetoder,« siger Tina Hecksher.

Bedre mobiler og medicin

En bedre forståelse af overgangen til glas kan bruges i mange forskellige sammenhænge. En oplagt er fremstillingen af mere solidt glas til forbrugerelektronik som smartphones og fladskærme, men der er også anvendelser, man ikke umiddelbart tænker på, fortæller Tina Hecksher:

Lasereksperiment

På MIT målte forskerne udbredelsen af lydbølger i væsken ved at sprede laserlys på den. (Foto: RUC)

»For eksempel forskes der en del i medicin på glasform. Det er nemlig nemmere for kroppen at optage medicin på glasform i stedet for som piller, hvor medicinen er sammenpresset pulver, som egentlig er små krystaller. Så bliver det interessant at finde ud af, hvordan man sørger for, at medicinen ender som glas i stedet for at krystallisere.«

En bedre teori for størkning og dannelsen af glas kan også hjælpe geofysikere med at forstå, hvordan magma flyder og størkner i Jordens indre. Mulighederne er mange, men først skal grundforskningen være på plads.

De seje væsker ligner hinanden

I stedet for bolsjemasse valgte forskerne at måle på en silikone-olie, men i princippet kunne det lige så godt være honning, tjære eller en anden væske, der størkner og bliver til glas, når temperaturen falder.

Er glas flydende?

Molekylerne i glas er ikke fuldstændig fastlåste. De kan godt bevæge sig en smule omkring, men det sker kun uhyre sjældent. At vinduesglasset i gamle bygninger er tykkest forneden, fordi glasset efterhånden er flydt derned, er en myte. Så hurtigt kan det slet ikke gå.

»Alle væsker kan underafkøles. De kan alle danne et glas, og de opfører sig overraskende ens, når man køler dem ned,« fortæller Tina Hecksher. Men helt ens opfører de sig trods alt ikke, og det er værd at undersøge nærmere, fortsætter hun:

»Man kan forestille sig, at der er én teori, der kan omfavne alle typer af væsker. Det ville være rart med sådan en universel teori for underafkølede væsker. Men måske skal vi have en teori for de særligt simple væsker, som så kan justeres på forskellige måder for de mere komplekse væsker.«

»Det er den hypotese, vi arbejder efter. Vi prøver at finde en teori for de simpleste væsker som for eksempel den silikone-olie, vi har brugt, og så kan vi måske tage udgangspunkt i den. Men teorier skal kunne testes, og det har vi nu vist, at man godt kan.«

Syv målemetoder

Syv metoder blev brugt for at måle i hele frekvensområdet. På RUC blev der målt i det lave frekvensområde fra 1 millihertz til omkring 1 megahertz, mens metoderne på MIT dækker området fra 1 megahertz næsten op til 1 terahertz, lig med 1.000.000.000.000 svingninger i sekundet. (Grafik: T. Hecksher)

Et flot arbejde

Videnskab opstår i et samspil mellem teori og eksperiment, og resultatet af eksperimenter som dette kan sammenholdes med teorier for, hvad der helt grundliggende sker, når væskerne bliver stadig sejere.

De teoretiske fysikere har brug for eksperimentel grundforskning som den, der nu er præsenteret. Det fortæller Paolo Sibani, der er lektor ved Institut for Fysik, Kemi og Farmaci på Syddansk Universitet:

»Det er væsentligt at udvikle nye eksperimentelle teknikker, som de gør i Roskilde. Og teoretiske fysikere som mig bruger jo de eksperimentelle resultater til at udvikle teorier. Vi har behov for måleresultater, der spænder over mange størrelsesordener, og det er altid udfordrende. Det er meget flot, hvad forskerne her har gjort.«