1 Collectieve beweging van deeltjes in een model

1
Collectieve beweging van deeltjes in een model
glas - Bart van Dam
Glas en plastic zijn belangrijke en veelgebruikte constructiematerialen. Hoewel plastic
en glas erg verschillend zijn, vallen beiden materialen onder de amorfe vaste stoffen,
ook wel glassen genoemd. Een glas is naast het materiaal dat wij kennen, ook een
toestand: een vaste stof met een ongeordende structuur. Dit in tegenstelling tot de
vaste stoffen die een kristalstructuur hebben, zoals zout en grafiet. De microscopische
structuur van een glas lijkt veel op die van een vloeistof, terwijl de macroscopische
eigenschappen lijken op die van een vaste stof. Door dit tegenstrijdige karakter is er
veel onderzoek naar glas.
Een glas wordt gevormd door een vloeistof af te koelen. Tijdens dit proces treden
er nauwelijks structurele veranderingen op. Dit terwijl de dynamische eigenschappen
drastisch veranderen: een glas is vast, terwijl een vloeistof stroomt. De meeste geaccepteerde verklaring voor deze tegenstrijdigheid wordt gegeven door de Adam-Gibbs
hypothese. Deze hypothese stelt, dat wanneer de dichtheid van een vloeistof toeneemt,
deeltjes op toenemende schaal collectief bewegen. Bij toenemende dichtheid kunnen
deeltjes niet langer bewegen zonder te botsen met andere, dichbij gelegen deeltjes.
Op deze manier beı̈nvloeden deeltjes elkaar en er ontstaan groepen van deeltjes die
zich gezamenlijk voortbewegen in het materiaal. Door deze clustervorming ontstaan
er gebieden in het glas bestaande uit deeltjes die veel sneller zijn dan deeltjes in de
nabijheid. Dit is te zien in de afbeelding, waar deeltjes in een glas zijn weergegeven
met de kleur als indicatie voor hoever de deeltjes bewogen hebben in een tijdsinterval.
Door de toenemende schaal waarop collectieve beweging optreedt, vertraagt beweging
in het systeem drastisch.
Tijdens dit onderzoek is collectieve beweging van deeltjes in glas onderzocht. Het
is technisch gezien echter niet mogelijk om de beweging van atomen of moleculen
ruimtelijk op te lossen. Daarom is voor dit onderzoek gebruikt gemaakt van een
model glas. Dit model glas bestond uit kleine plastic bolletjes die een factor 1000
tot 10000 groter zijn dan echte glasdeeltjes. De beweging van deze modelatomen kan
met een microscoop direct worden waargenomen. Door het observeren van beweging
van individuele deeltjes blijkt dat, wanneer een vloeistof afgekoeld wordt tot een glas,
de groepen van collectief bewegende deeltjes groter worden. Ook is aan de hand van
observaties aangetoond dat beweging in het systeem steeds langzamer wordt, naarmate
de dichtheid toeneemt. Dit is in overeenkomst met de Adam-Gibbs hypothese.
Figure 1: De verplaatsing van deeltjes in een model glas. De kleur geeft weer hoever de
deeltjes bewogen hebben. Deeltjes met verschillende verplaatsing vormen clusters en bewegen
collectief door het materiaal.
1