Glas ist ein täuschend einfaches Material, transparent und hart, in Wirklichkeit aber sehr komplex und faszinierend. Der Prozess, bei dem Glas von Flüssigkeit zu Glas übergeht, wird als „Glasübergang“ bezeichnet und ist durch eine deutliche Verlangsamung der Glasdynamik gekennzeichnet, die dem Glas seine besonderen Eigenschaften verleiht.Dieser Übergang ist seit Jahren Gegenstand wissenschaftlicher Neugier. Ein besonders interessanter Punkt in diesem Prozess ist die Entstehung einer „dynamischen Heterogenität“. Wenn eine Flüssigkeit abkühlt und sich ihrer Glasübergangstemperatur nähert, wird ihre Dynamik kohärenter und diskontinuierlicher.
In einer neuen Studie schlagen Forscher einen neuen theoretischen Rahmen vor, um diese dynamischen Heterogenitäten in glasbildenden Flüssigkeiten zu erklären. Diese Ansicht geht davon aus, dass die Entspannung in diesen Flüssigkeiten durch lokale Umlagerungen erfolgt, die sich wiederum durch elastische Wechselwirkungen gegenseitig beeinflussen. Entspannung ist ein Begriff aus der Physik, der sich auf den Prozess der allmählichen Rückkehr von einem bestimmten Zustand in einen Gleichgewichtszustand in einem bestimmten allmählichen physikalischen Prozess bezieht. Durch die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen lokalen Umlagerungen, elastischen Wechselwirkungen und thermischen Schwankungen entwickelten die Forscher eine umfassende Theorie der kollektiven Dynamik dieser komplexen Systeme.
Die Forschung wurde von Professor Matthieu Wyart von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Max-Planck-Institut in Dresden, der Französischen Nationalen Akademie der Wissenschaften, der Universität Grenoble Alpes und dem Zentrum für Systembiologie in Dresden durchgeführt. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in Physical Review X veröffentlicht.
Das Forschungsteam schlug eine „Skalierungstheorie“ vor, um das beobachtete Wachstum der dynamischen Korrelationslänge in glasartigen Flüssigkeiten zu erklären. Diese Korrelationslänge hängt mit dem „thermischen Kollaps“ zusammen, einem seltenen Ereignis, das durch thermische Fluktuationen hervorgerufen wird und anschließend einen schnelleren kinetischen Ausbruch auslöst.
Der theoretische Rahmen der Studie liefert auch Einblicke in die Stoke-Einstein-Zersetzung, ein Phänomen, bei dem die Flüssigkeitsviskosität die Partikeldiffusion entkoppelt.
Um ihre theoretischen Vorhersagen zu überprüfen, führten die Forscher umfangreiche numerische Simulationen unter verschiedenen Bedingungen durch. Diese Simulationen bestätigten die Genauigkeit ihrer Skalierungstheorie und ihre Fähigkeit, die beobachtete Dynamik glasartiger Flüssigkeiten zu beschreiben.
Diese Forschung vertieft nicht nur unser Verständnis der Dynamik von Glas, sondern schlägt auch einen neuen Weg vor, die Eigenschaften einer Reihe anderer komplexer Systeme zu untersuchen, darunter die Gehirnaktivität oder das Gleiten zwischen Reibungsobjekten.
„Unsere Arbeit verbindet das Wachstum dynamischer Korrelationslängen in Flüssigkeiten mit der Entspannung vom Kollapstyp, die bei ungeordneten Magneten, körnigen Materialien und Erdbeben gut untersucht ist“, sagt Matthieu Wyart. „Dieser Ansatz schafft daher unerwartete Brücken zwischen anderen Bereichen. Unsere Beschreibung, wie der Kollaps durch äußere Schwankungen, einschließlich thermischer Schwankungen, beeinflusst wird, könnte daher weitreichendere Auswirkungen haben.“