عکسبرداری از ذرات منفرد در شیشه نشان می‌دهد که ذرات بزرگ و کوچک رفتار متفاوتی دارند؛ این مشاهده راهی است جدید برای تنظیم ویژگی‌های شیشه‌های تجاری.

شیشه‌ها (جامدهای غیربلوری)  به وفور در مواد صنعتی یافت می‌شوند اما پرسش‌های بسیاری درباره رفتار آن‌ها در مقیاس مولکولی باقی است. اکنون پژوهشگران با ردگیری تک‌ذرات در شیشه دریافته‌اند که ذرات کوچکتر در مقایسه با ذرات بزرگتر فضای بیشتری برای حرکت دارند. ماده مورد مطالعه شیشه کلوییدی بود، جامدی از چینش تصادفی مهره‌های پلاستیکی به اندازه میکرومتر ساخته می‌شود. رفتار وابسته به اندازه ذرات می‌تواند بر ویژگی‌های مکانیکی ماده اثر بگذارد و در نهایت منجر به روش‌های جدیدی برای کنترل ویژگی‌های شیشه شود.

فضایی برای تنفس: نمایی هنری از شیشه‌ای که از ذرات با اندازه‌های متفاوت ساخته شده است نشان می‌دهد که ذرات کوچکتر و بزرگتر می‌توانند تقریبا همان حجم را اشغال کنند بنابراین ذرات کوچکتر فضای بیشتری برای حرکت در اختیار دارند.

مواد شیشه‌ای نه تنها شامل شیشه پنجره بلکه پلاستیک‌ها و آلیاژهای فلزی می‌شوند. حتی موادی مانند شیشه و گلیسیرین نیز حالت‌های شیشه‌ای دارند. این مواد نامنظم و بنابراین پیچیده‌تر از بلورها هستند. پژوهشگران اغلب شیشه‌ها را در غالب مدل‌های مختلفی مطالعه می‌کنند، مانند ذرات میکروسکوپیکی که می‌توانند جامد شوند و نقش مولکول‌ها را بازی کنند. برای مثال، اگر دایما غلظت مهره‌های پلاستیکی را در یک مایع افزایش دهیم، در نهایت یک ماده جامد شکل می‌گیرد. اگر ذرات یکسان باشند، یک جامد بلوری منظم شکل می‌گیرد اما اگر اختلاف اندکی در اندازه مهره‌ها وجود داشته باشد -ولو چند درصد- نظم از بین می‌رود و یک «شیشه کلوییدی» شکل می‌گیرد.

پژوهشگران اغلب شیشه‌های کلوييدی یا مرسوم را با روش‌های پراکندگی نور مریی یا پرتو ایکس مطالعه می‌کنند؛ این روش‌ها نواحی بزرگی از ماده را یک جا مطالعه می‌کنند و اطلاعات میانگینی درباره ساختار شیشه و حرکت ذرات به دست می‌دهند. برای مطالعه شیشه‌های کلوییدی در سطح تک‌ذره، آن‌ها نیازمند روشی هستند که همزمان اندازه ذرات را تمیزِ دهد و آ‌ن را اندازه‌گیری کند.

اخیرا، اریک ویکس (Eric Weeks) از دانشگاه ایموری در آتلانتا و همکارانش سامانه‌ای را طراحی کردند که از میکروسکوپ هم‌کانون (confocal microscopy) برای اندازه‌گیری اندازه ذرات با دقت بالا استفاده می‌کند [۱]. اکنون مارکو لوراتی (Marco Laurati) از دانشگاه گواناجواتا مکزیک و همکارانش این را برای مطالعه دقیق‌تر شیشه‌های کلوییدی استفاده کرده‌اند.

در این آزمایش‌ها، این گروه شیشه‌ای از ذرات پلاستیکی با اندازه میکرومتر ساخت و سپس اندازه ذرات را اندازه‌گیری  و مسیر آن‌ها را طی زمان ردگیری کرد. آن‌ها دریافتند که حجم فضای اطراف ذرات مشابه است بنابراین ذرات کوچکتر فضای بیشتری برای حرکت در اختیار دارند و نسبت به ذرات بزرگ، کمتر از از جانب همسایه‌هایشان تحت فشار هستند. این نتیجه نشان می‌دهد که ذرات کوچک و بزرگ احتمالا درجات مختلفی از «صلبیت» یا «شیشه‌ای بودن» را «احساس» می‌کنند. ذرات بزرگتر که به تنگی در کنار هم جای می‌گیرند، در جای خود گیر افتاده‌اند اما ذرات کوچکتر احتمالا می‌توانند جای خود را با همسایه‌شان عوض کنند، رفتاری که معمولا فقط در سیالات مشاهده می‌شود.

این آزمایش اولین آزمایشی است که مستقیما اختلاف در اندازه ذرات را به حرکتشان ربط می‌دهد. جوریس اسپراکل (Joris Sprakel) فیزیکدان مواد در دانشگاه واگنیگن هلند، ضمن اشاره به این مطلب می‌گوید که لوراتی و همکارانش این روش را «به ورای تصورات من تعمیم داده‌اند».

این نتایج احتمالا توضیح می‌دهد که چرا برخی نواحی یک ماده می‌تواند بیشتر شبیه مایع باشد در حالی که بعضی نواحی دیگر شبیه جامد هستند اگرچه ساختار این نواحی چندان تفاوتی نمی‌کنند. ویکس می‌گوید:«خیلی جالب می‌شود اگر تنظیم اندازه ذرات، راهی برای طراحی سامانه‌های کمتر یا بیشتر شیشه‌ای » و کنترل ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها باشد. برای مثال، اسپراکل می‌گوید که تعداد ذرات در رنگ‌ها محدود است چون رنگ باید به قدری مایع باشد که با قلم‌مو روی دیوار کشیده شود. اما چگالی بیشتر ذرات باعث کیفیت بالاتر رنگ می‌شود که مواد صنعتی کمتری هم دارد. افزایش چگالی بدون قربانی‌کردن «رنگ‌پذیری» شاید از طریق دستکاری اندازه ذرات ممکن باشد. اسپراکل می‌گوید: «این پیشرفت می‌تواند صنعت پوشش و رنگ را به صنعتی تمیزتر و سبزتر تبدیل کند».

نویسنده: کاترین رایت.

منبع:

[۱] R. Kurita, D. B. Ruffner, and E. R. Weeks, “Measuring the Size of Individual Particles from Three-Dimensional Imaging Experiments,” Nat. Commun. 3, 1127 (2012).

[۲] For Colloidal Glasses, Size Matters

مرجع: Size-Dependent Localization in Polydisperse Colloidal Glasses