Hoe glas zich vermomt als een vloeistof

Doorschijnend, hard en mooi. We gebruiken de bijzondere eigenschappen van glas al duizenden jaren. Het duikt overal op in de geschiedenis. Als snijgereedschap in de steentijd, als versiering van aardewerk in het Oude Egypte of als Romeinse bekers en borden. Het is daarom misschien vreemd dat wetenschappers hun tanden nog steeds stukbijten op het materiaal. Geen theorie is in staat om het moment van glaswording op het niveau van moleculen goed te beschrijven.

Er is iets merkwaardigs aan de hand met de manier waarop deeltjes zijn geordend in een glasachtig materiaal. Dat heeft veel weg van de rangschikking in een vloeistof (of eerder een gebrek aan rangschikking). Toch is de verzameling deeltjes rigide, het is een vloeistof die niet meer vloeit.

Wetenschappers van onder andere de Technische Universiteit Eindhoven proberen een algemene theorie te formuleren die beschrijft hoe een vloeistof overgaat in een glasachtig materiaal. En hoe het zich op moleculair niveau als een vloeistof vermomt. Die zoektocht blijkt onverwachte toepassingen te hebben in bijvoorbeeld het onderzoek naar het uitzaaien van tumoren.

Efficiënte schikking

Als je maar ver genoeg inzoomt op een materiaal kom je uiteindelijk bij atomen terecht, de kleinste chemische bouwstoffen waarin veel eigenschappen van een stof besloten liggen. Niet alleen wélke van de pakweg honderd verschillende atomen er in een materiaal zitten bepalen zijn eigenschappen, maar ook de ordening.

In veel vaste stoffen nemen de atomen een nette ordening aan. Dit is wat betreft energie de meest efficiënte schikking, maar het lukt deeltjes niet altijd om zich zo te organiseren. Vervuiling in de vorm van andersoortige atomen voorkomt dat de deeltjes zich netjes schikken. Het glas in onze vensters en drinkglazen is een van de bekendste voorbeelden, dat voornamelijk bestaat uit ongeordende silicium- en zuurstofatomen.

Deze glasfase is in natuurkundig opzicht gewoon een vaste stof, maar lijkt onder krachtige microscopen sprekend op de vloeibare fase. “Dat is best vreemd”, zegt Liesbeth Janssen, die als universitair docent van de Technische Universiteit Eindhoven theoretisch onderzoek doet naar de glasfase. “Normaal gesproken kun je enkel op basis van de atomaire of moleculaire ordening al zeggen met wat voor fase je te maken hebt: een gas, een vloeistof of vaste stof.”

Is het niet logisch dat atomen steeds langzamer bewegen als ze worden afgekoeld? Temperatuur is immers gedefinieerd als de mate van beweging van de deeltjes. Toch is het verstarren van atomen niet te verklaren met alleen het kouder worden. Er zijn andere effecten aan het werk die nog niet goed worden beschreven door bestaande theorieën, aldus Janssen. Er is geen universele theorie die het stollingsproces van alle materialen voorspelt.

Oplossingen

Onderzoekers hebben overigens best een aardig idee van wat er zich in een materiaal afspeelt, hoe individuele atomen bewegen en interacties aangaan in hun directe omgeving. Maar het is juist het collectieve gedrag waar geen goede beschrijving voor is. Een materiaal bestaat eigenlijk per definitie uit een enorm aantal atomen, die op allerlei verschillende manieren interactie hebben. Draait het stollingsproces om de locale krachten tussen buuratomen, of moet je de interacties met de buren van de buren ook meenemen? Welke rol speelt de hoek tussen verschillen deeltjes, de afstanden en temperatuur? Onderzoekers zoals Janssen zoeken vooral naar de juiste ‘filter’ die zegt welke effecten het belangrijkst zijn.

Eígenlijk is er geen oplossing voor dit probleem. “We weten dat dit niet exact op te lossen is met de wiskunde die we nu hebben, er spelen zoveel invloeden dat de berekening oneindig groot wordt”, zegt Janssen. “Ons werk heeft de afgelopen jaren gedraaid om het vinden van zogenoemde gekoppelde vergelijkingen die alle effecten beschrijven en waarbij de effecten zo gerangschikt zijn dat ze een steeds kleinere rol spelen. Als we vervolgens alleen de eerste paar niveau’s meenemen dan zijn we al een heel eind.”

Algoritmes kunnen helpen in het onderzoek. In toenemende mate gebruiken de onderzoekers rekenprogramma’s die door het aanbrengen van kleine variaties op zoek gaan naar de belangrijkste termen in de formules. Dat in tegenstelling tot de klassieke benadering waarin computers werd opgedragen om zoveel mogelijk niveau’s mee te nemen, totdat ze door geheugengebrek niet meer verder komen.

“Natuurlijk lijken cellen in een lichaam helemaal niet op atomen in een materiaal. Er zijn andere interacties aan het werk, de schaal is veel groter en cellen kunnen van vorm veranderen. Toch blijken onze theorieën iets zinnigs te zeggen over de kans dat cellen bewegen of niet”, zegt Janssen. “Hopelijk kunnen we straks op basis van een foto van een weefsel zeggen of de cellen zullen bewegen of niet.”