Onderkoelde vloeistoffen geven langzaam maar zeker hun geheimen prijs

Kijk eens om je heen. Wat zie je? Misschien zie je boeken, kranten en tijdschriften? Of misschien ben je buiten, en zie je bomen, planten en velden? Als alles wat je ziet netjes gerangschikt is, dan kan deze orde prettig zijn voor het oog. Maar zodra de objecten wanordelijk worden, is dit voor veel mensen onaangenaam en rommelig.

In de macrowereld is het makkelijk om te bepalen of een systeem netjes is of rommelig, geordend of ongeordend. Maar op microniveau, op de schaal van atomen en moleculen, is dat een ander verhaal. Vaste stoffen hebben meestal een geordende kristalstructuur, maar dat geldt niet voor vloeistoffen.

Normale vloeistoffen versus onderkoelde vloeistoffen

Bij een normale vloeistof met een temperatuur boven het vriespunt, maar onder het kookpunt, zijn de moleculen constant in beweging en kunnen ze het volume dat hen insluit vrij verkennen. Met andere woorden: de moleculen hebben geen vastomlijnde posities ten opzichte van elkaar.

Zodra de vloeistof wordt afgekoeld tot het vriespunt, vindt er een faseovergang plaats, waarbij de vloeistofmoleculen zich op een zeer specifieke manier rangschikken om een kristallijne vaste stof te vormen.

Een voorbeeld dat iedereen kent is water: watermoleculen bewegen vrij boven nul graden Celsius, maar worden opgesloten in een kristallijne vaste fase (ijs) wanneer de temperatuur onder de nul graden Celsius zakt. Bij onderkoelde vloeistoffen is de situatie echter behoorlijk anders.

"Een onderkoelde vloeistof is een vloeistof die kan worden afgekoeld of samengeperst tot onder het vriespunt zonder in een kristal te veranderen," zegt Ilian Pihlajamaa, promovendus in de onderzoeksgroep Soft Matter & Biological Physics aan de faculteit van Applied Physics.

Corentin Laudicina, PhD-collega van Pihlajamaa aan de TU/e, legt uit: "In sommige gevallen, als de koeling heel snel gaat, kan de vloeistof in vloeibare toestand blijven, zelfs als de temperatuur onder het normale vriespunt ligt. Het gevolg hiervan is dat de vloeistof enkele unieke eigenschappen heeft die nuttig kunnen zijn voor verschillende industriële toepassingen, van duurzame kunststoffen tot hightech optische materialen."

Voorbij molecuulparen

Omdat onderkoelde vloeistoffen zo'n breed toepassingsgebied hebben, kan het geen kwaad om beter te begrijpen hoe de moleculen in onderkoelde vloeistoffen elkaar beïnvloeden. Deze interacties kunnen de algemene vloeistofeigenschappen namelijk aanzienlijk beïnvloeden.

Een van de populairste hulpmiddelen om de structuur van een vloeistof te beschrijven is een structurele correlatie tussen twee moleculen (two-body structural correlation). Hierbij wordt onderzocht hoe twee willekeurige moleculen elkaar beïnvloeden of met elkaar correleren. Zoals intuïtief te verwachten is, hebben moleculen die dichter bij elkaar liggen een grotere invloed op elkaar dan moleculen die verder weg liggen. 

"Correlaties tussen twee moleculen zijn nuttig, maar we zouden meer willen weten over de invloed van meerdere moleculen op een bepaald molecuul op hetzelfde moment," zegt Pihlajamaa. "Op het fundamentele niveau zijn correlaties met meerdere moleculen nodig om de structuur van een vloeistof gedetailleerder te beschrijven. Deze details halen we boven water door verder te gaan dan correlaties tussen twee of drie moleculen."

De gezamenlijke eerste auteurs Pihlajamaa en Laudicina, hebben samen met hun promotor Liesbeth Janssen en Chengjie Luo van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen, hun bevindingen gedeeld in een nieuw artikel dat zojuist is gepubliceerd in PNAS Nexus.

Uitdagingen bij het berekenen

"De meeste studies richten zich tot nu toe alleen op de structurele correlaties tussen twee moleculen, en slechts een handjevol artikelen heeft geprobeerd om ook naar correlaties tussen drie moleculen te kijken. Wij zijn nog een stap verder gegaan: als eerste kijken we ook naar de structurele correlaties tussen vier moleculen," zegt Janssen.

"We weten dat onderkoelde vloeistoffen andere eigenschappen hebben dan normale vloeistoffen. De natuurkundige wetten geven aan dat deze eigenschappen verband houden met de moleculaire structuur van de vloeistof," zegt Laudicina. "Er is weinig verschil tussen correlaties tussen twee of drie moleculen voor onderkoelde vloeistoffen, maar de correlaties tussen vier moleculen onthullen structuren die nog niet eerder zijn gezien."

Het werk stelde de onderzoekers voor verschillende uitdagingen. "De wiskundige afleidingen waren vrij lang en technisch," zegt Laudicina. "In de vergelijkingen hadden we te maken met tientallen tot honderden termen, dus het was een interessante uitdaging om te verifiëren of dit correct was," voegt Pihlajamaa toe.

Om de correlatiefuncties tussen vier moleculen te kunnen meten, hadden de onderzoekers bovendien data nodig - en veel ook! "We gebruikten geavanceerde computerprogramma’s op meerdere krachtige computers om onze intern ontwikkelde code uit te voeren. Onze laptops waren absoluut niet in staat om deze code te draaien," zegt Pihlajamaa.

Meer dan twintig jaar

Voor de onderzoekers, die samen meer dan twintig jaar ervaring hebben op het gebied van correlatie-onderzoek in vloeistoffen, was dit een belangrijke doorbraak.

"Doorbraken als deze inspireren me om verder te werken aan dit soort nieuwe nieuwe ideeën, en om de beste theorieën die er zijn te verbeteren," zegt Janssen.

"Bijdragen aan het begrip van het complexe gedrag van dichte vloeistoffen en de grenzen verleggen van wat momenteel bekend is, geeft een gevoel van voldoening en tevredenheid," voegt Laudicina toe.

Het diepere inzicht in de structuur van onderkoelde vloeistoffen kan de weg vrijmaken voor nieuwe materialen die toegepast kunnen worden in materiaaltechnologie, fabricageprocessen, chemische technologie en het ontwerp van energieopslagsystemen.

"Het draait allemaal om het verbeteren van de prestaties, efficiëntie en duurzaamheid van nieuwe materialen. Maar om dit te doen, is het belangrijk om ons begrip van de fundamentele aspecten van deze systemen te verbeteren, en ons onderzoek is een belangrijke stap in de goede richting," legt Janssen uit.

Artikel informatie

Emergent structural correlations in dense liquids, Ilian Pihlajamaa, Corentin Laudicina, Chengjie Luo, and Liesbeth Janssen, (2023), PNAS Nexus.