Vast of vloeibaar? Zachte deeltjes en de glasovergang in zachte materie

Zachte glasachtige materialen (ZGM's) hebben in de afgelopen jaren sterk de aandacht van wetenschappers getrokken, vanwege hun neiging om een vaste stof te vormen met een heel zachte structuur. Hierdoor zijn zulke materialen heel gevoelig voor uitwendige stimuli. Deze eigenschap is essentieel voor het mechanisch gedrag van complexe materialen waaruit ook levende materie is opgebouwd. Daarom is begrip van de eigenschappen van ZGM’s rond de glasovergang niet alleen voor natuur- en scheikun­digen van belang maar ook voor biologen en medici.

Onderzoekers van de "Physics of Complex Fluids" groep onder leiding van Frieder Mugele aan de Universteit Twente rapporteren deze week in Physical Review Letters over een speciaal ZGM dat uitermate geschikt is om het gedrag rond de vloeistof-glas overgang te onderzoeken. Het bestaat uit uiterst kleine kluwentjes van onderling verknoopte polymeren. De diameter van deze nanodeeltjes hangt sterk af van de omgevings­temperatuur. Bij 40 oC bedraagt deze ongeveer 100 nm (1/1000 van de diameter van een menselijk haar) maar bij 20 oC zwellen ze naar zo'n 200 nm, waardoor de deeltjes ook zachter worden. De fractie van het totale volume, die de deeltjes innemen (bij een constant aantal deeltjes), gaat hierbij omhoog en boven een bepaalde kritische waarde van deze ‘volumefractie’ wordt het materiaal vast. Dezelfde volumefractie kan echter op verschillende manieren bereikt worden: door veel deeltjes maar een beetje te laten zwellen, of door minder deeltjes meer te laten zwellen. De kritische volumefractie hangt van de zachtheid van de deel­tjes af: zachtere deeltjes kunnen nog steeds om elkaar heen ook al raken ze elkaar, terwijl hardere deeltjes elkaar volledig blokkeren.

Hoe makkelijk de deeltjes om elkaar heen kunnen, beïnvloedt ook de veroude­rings­proces­sen in het materiaal. De snelheid van de inwendige relaxatie­proces­sen in de glastoestand is omgekeerd evenredig met de leeftijd van het glasachtige materiaal. De evenredig­heidsconstante wordt bepaald door de zacht­heid van het glas. Dit in tegen­stelling tot de vloeistoffase waar de relaxatiesnelheden leeftijdsonafhankelijk zijn. Via dit onderzoek wordt inzicht gekregen in enkele van de vele processen welke zich in levende materie afspelen.

Dirk van den Ende