“Het is een nieuw soort materiaal.”

Aan het woord is onderzoeker Zahra Fakhraai. Samen met haar team ontdekte ze een vloeibare fase die tot voor kort onbekend was voor de wetenschap. En dat heeft mogelijk vele toepassingen. Zo zouden er niet alleen betere OLED-schermen of stabieler glas geproduceerd kunnen worden, we kunnen misschien door deze ontdekking ook de mysterieuze aard van glasfysica verder ontraadselen.

Glasfysica
Op school leer je dat materie zich in drie verschillende toestanden kan bevinden: gas, vloeibaar en vast. Maar opvallend genoeg houdt glas zich niet aan deze regels. De structuur van glas lijkt sterk op de vloeibare fase, maar de eigenschappen zijn vergelijkbaar met vaste stoffen. Deze zogenoemde ‘glasfase’ is voor wetenschappers nog altijd een groot raadsel. Zo voelt het materiaal wel hard aan, maar heeft het géén geordende kristalstructuur. Van de buitenkant gedraagt het materiaal zich als een vaste stof, maar het binnenste oogt zo wanordelijk als een vloeistof.

Het probleem
En hier lopen we ook gelijk tegen enkele problemen aan. Glas waarvan ultradunne films (laagjes) worden gemaakt, wordt veel gebruikt in toepassingen zoals OLED-schermen. Maar deze dunne films gedragen zich bij lage temperaturen meer als een vloeistof. Dit resulterende materiaal kan vatbaar zijn voor druppelvorming of kristallisatie, wat ten koste gaat van de stabiliteit. “Chemici hebben creatieve manieren bedacht om de moleculen te verankeren,” vertelt Fakhraai in gesprek met Scientias.nl. “Maar technische eigenschappen, zoals de geleidbaarheid, lijden daaronder.” In een poging om deze problemen aan te pakken, kwamen wetenschappers echter tot een bijzondere ontdekking.

Nieuwe vloeibare fase
In plaats van vloeistof te koelen om glas te produceren, gebruikten de onderzoekers dampafzetting. Hierbij wordt een materiaal direct van een gas in een vaste stof getransformeerd. De onderzoekers kwamen tot een verrassende ontdekking. Want door gebruik te maken van dampafzetting bleek het team toegang te krijgen tot een ander, tot voor kort onbekende vloeistoffase. “Tot nu toe hebben we deze fase alleen waargenomen in extreem dunne films (onder 50 nanometer),” vertelt Fakhraai. “Zodra we deze dikte overschrijden, wordt de fase onstabiel (vergelijkbaar met smeltend ijs). We vermoeden dat dit de reden is dat deze fase in het verleden nog niet is waargenomen.”

Hoe het werkt
Het betekent dat de nieuw ontdekte fase dus niet simpelweg bereikt kan worden door een vloeistof te laten afkoelen. “Dat komt omdat de beweging van de moleculen te langzaam wordt,” legt Fakhraai uit. “Hierdoor gaat de kans om de nieuwe vloeibare fase te vormen verloren. De moleculen komen dan vast te zitten in de reguliere glasfase.” De enige manier om de nieuw ontdekte fase waar te nemen, is dus door afzetting rechtstreeks vanuit de dampfase. “We houden het dragersubstraat op een zeer lage temperatuur (stel je opnieuw voor dat je direct ijs vormt uit waterdamp op een erg koud oppervlak),” licht Fakhraai verder toe. “Zodra we deze fase hebben gevormd, hebben we de mogelijkheid om de eigenschappen ervan te bestuderen door de temperatuur van het substraat te veranderen. We zijn erin geslaagd om dit te doen door substraten te produceren met een temperatuurverloop. Op koude substraten produceren we films direct in deze fase. Op warmere substraten produceren we de reguliere glasfase. Dan kunnen we zien bij welke temperatuur er een overgang is tussen deze fasen en hoe de eigenschappen verschillen in films van dezelfde dikte maar gevormd zijn bij verschillende temperaturen.”

““Deze fase van glas heeft een ongelofelijk hoge dichtheid”

Nieuw materiaal
Wat met name veelbelovend is aan de nieuw ontdekte vloeistoffase, is dat onderzoekers nu in staat zijn om hele dunne films van glas te maken met een hogere dichtheid en stabiliteit. “Deze fase van glas, die alleen stabiel is in dunne films, heeft een ongelofelijk hoge dichtheid,” legt Fakhraai uit. “Het heeft zelfs een hogere dichtheid dan kristal. Dichtheid speelt een belangrijke rol in veel andere fysieke eigenschappen van glas, denk bijvoorbeeld aan de elasticiteit, geleidbaarheid, warmtegeleiding, geluidssnelheid, enz. Hoewel we deze eigenschappen nog niet hebben gemeten, verwachten we wel dat we door deze fase stabielere dunne films kunnen produceren waarmee dergelijke eigenschappen kunnen worden verbeterd. Vooral de geleidbaarheid is van belang, omdat het molecuul dat we in ons onderzoek hebben gebruikt, breed wordt toegepast in organische elektronische materialen (OLED’s). Het begrijpen van deze fase helpt ons dus ook om technische eigenschappen te verbeteren.”

Toepassingen
En dat biedt ongekende mogelijkheden. Misschien zelfs de ontwikkeling van volledig nieuwe apparaten. “Het is echt een nieuw soort materiaal,” zegt Fakhraai. Al houden de onderzoekers wat betreft de toepassingen nog even een slag om de arm. “Eerst moeten we verifiëren of de nieuw ontdekte fase ook in andere moleculen bestaat,” gaat de onderzoeker verder. “We hebben voorlopige gegevens waaruit blijkt dat dit inderdaad het geval is. Vervolgens kunnen we het gaan toepassen daar waar doorgaans glas op nanoschaal wordt gebruikt. Om de Moderna- en Pfizer-vaccins te verpakken, heb je bijvoorbeeld glas nodig dat heel koud kan worden en niet versplintert. Het feit dat de technologie daarvoor nu bestaat, bewijst dat we op de goede weg zijn om dergelijk glas te ontwikkelen.”

Ontrafelen van het mysterie
Naast de interessante toepassingen, heeft de studie ook nog een andere implicatie, namelijk “wat onze gegevens betekenen voor het verifiëren van theorieën over glasovergangen,” aldus Fakhraai. “Gedurende vele jaren hebben meerdere theorieën de revue gepasseerd. Voor zover ik weet, heeft nog geen enkele studie gekeken naar de mogelijkheid van een nieuwe, lage-temperatuurfase in dunne films. Het ontwikkelen van theorieën en modellen van dit fenomeen, kan de aard van glasfysica in het algemeen ophelderen. Bovendien kan dit ons helpen om onderscheid te maken tussen verschillende theorieën over de glasfase. Een theorie die kan omgaan met randvoorwaarden op nanoschaal en glaseigenschappen op verschillende oppervlakken kan voorspellen, ontbreekt momenteel. We hopen dan ook dat onze experimentele gegevens kunnen worden gebruikt als een raamwerk voor het ontwikkelen van dergelijke theorieën.”

De onderzoekers zijn van plan hun experimenten in het laboratorium voort te zetten, om zo meer te weten te komen over de cruciale parameters die leiden tot de unieke nieuwe faseovergang. En dat kan helpen om enkele andere resterende mysteries over glas op te lossen. “Onze hoop is dat dit fundamentele begrip leidt tot meer toepassingen en een beter vermogen om dunne films van glas te fabriceren met verbeterde eigenschappen,” vat Fakhraai samen. “Als we de structuur en eigenschappen beter begrijpen, opent dit vele nieuwe mogelijkheden bij het ontwerpen van nieuwe producten.”