Glas is vloeibaar, noch vast. Om die reden bijten natuurkundigen al jaren hun tanden erop stuk. Maar nieuw onderzoek licht een tipje van de sluier op.

De natuurkundeboeken hebben ons geleerd dat een materiaal zich in drie fases kan bevinden: vast, vloeibaar en gas. Denk maar aan water: je hebt ijs, vloeibaar water en waterdamp. Maar nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Konstanz en de Universiteit van Amsterdam een nieuwe toestand van materie ontdekt dat ze vloeibaar glas noemen. Ze publiceerden hun bevindingen in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Lees ook:

• ‘Glas voldoet niet aan de regels van andere materialen’
• Buitenste laag ijs gedraagt zich als vloeibaar water
• ‘Vloeibaar raam’ houdt panden koel

Wel/niet vloeibaar

Glas is eigenlijk maar raar spul; daar zijn vrijwel alle natuurkundigen het over eens. Het voldoet namelijk niet aan de regels van andere materialen. Zo ziet het er onder de microscoop vloeibaar uit, ook al is het allang afgekoeld en keihard. En hoewel een veelgehoorde uitspraak is dat glas vloeibaar is, kan dat simpelweg niet. Daarvoor zijn de moleculen niet beweeglijk genoeg.

Toch mag glas ook niet tot de normale ‘vaste’ materialen worden gerekend. Als een stof overgaat van een vloeibare naar een vaste fase rangschikken de voorheen vrij bewegende moleculen zich in een kristalrooster. Maar dat gebeurt niet bij glas en andere glasachtige materialen: de moleculen ‘bevriezen’ als het ware in een wanordelijke staat.

Colloïden

Althans, dat is hoe het normaal gesproken gaat. Maar de onderzoekers ontdekten een nieuwe toestand: een waarin de moleculen wel kunnen bewegen, maar niet roteren. Deze toestand was al theoretisch voorspeld, maar tot nu toe nog nooit in het echt waargenomen.

De onderzoekers hebben het bestaan van deze toestand aangetoond door te kijken naar een zogeheten colloïdaal mengsel – een vloeistof met daarin heel veel kleine vaste deeltjes. Colloïden zijn onoplosbare deeltjes, vaak bolvormig, met een afmeting tussen de 1 en 1000 nanometer. Vanwege hun grootte kunnen ze goed worden bestudeerd.

“Dergelijke vaste deeltjes zijn aan de ene kant veel groter dan de moleculen van de vloeistof, maar aan de ander kant nog wel klein genoeg om sterk beïnvloed te worden door willekeurige botsingen met de individuele vloeistofmoleculen”, legt vloeistofwetenschapper Johan Padding van de TU Delft uit. “Die willekeurige botsingen zorgen ervoor dat zelfs zonder enige vorm van stroming van de vloeistof, de vaste deeltjes toch continu in willekeurige richtingen lijken te bewegen.”

Vloeibaar glas

In hun studie maakten de wetenschappers gebruik van ellipsvormige colloïden in plaats van bolvormige, zodat ze konden zien in welke richting ze wezen. De colloïdale deeltjes waren in verschillende concentraties gemengd met een vloeistof.

Vervolgens hield het team voor die verschillende concentraties deeltjes in de vloeistof bij hoe goed de colloïden konden bewegen en roteren. Uiteindelijk ontdekten de onderzoekers dat bij hogere concentraties de deeltjes elkaar blokkeerden om te roteren, maar ze konden wél nog steeds vrij bewegen.

“We hebben hier dus een situatie waarin de oriëntaties van de deeltjes bevroren zijn, maar de posities nog steeds kunnen veranderen”, zegt Padding, die erg enthousiast is over de studie. “Deze toestand hebben de wetenschappers daarom ‘vloeibaar glas’ genoemd.”

“De ellipsvormige colloïden in deze studie zijn een modelsysteem waarmee we veel kunnen leren over faseovergangen en ordening van starre uitgerekte moleculen”, vervolgt Padding. “Dit is niet alleen interessant voor de wetenschap, maar kan op den duur ook tot nieuwe toepassingen leiden, zoals nieuwe soorten vloeibare kristallen en andere devices waarmee we licht kunnen manipuleren.”

Bronnen: PNAS, New Atlas, ScienceAlert, Johan Padding (TU Delft)

Beeld: 123RF

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!