Grenzeloos traag glas

Sylvia Wenmackers 04/11/2015 0 Reacties

Bestaat er een fysische grens aan traagheid? Dat vroeg ik me af bij het schrijven van deze column over een schijnbaar alledaags materiaal met bijzondere fysische eigenschappen: glas!

Dit stukje is in licht gewijzigde vorm als column verschenen in Eos.
(Jaargang 32, nummer 11.)

Voor een fysicus is het glas altijd vol... lucht. Loom tikte ik tegen de autoruit: “Glas is eigenlijk een vloeistof.” Ik zat achterin de auto samen met studiegenoot Karin. Haar vader reed en hij kaatste terug: “Welnee, het vloeit toch niet?” Tegen zijn onwankelbare vertouwen in gezond verstand kon ik als dromerige fysicastudent niet op.

Toch was ik zeker van mijn stuk. Glas wordt op hoge temperatuur gemaakt en is dan vloeibaar genoeg om het in een bepaalde vorm te blazen. Dat zal niemand betwisten, maar hoe zit het op kamertemperatuur? Ons gezond verstand zegt dat glas geen vloeistof kan zijn, aangezien het gebruikt kan worden als barrière tegen regen (vensterglas) of als houder voor water (drinkglas). Voor de fysicus ligt het iets subtieler: op microscopische schaal is glas namelijk amorf. De atomen in glas zitten even ongeordend als in een vloeistof. Terwijl de meeste stoffen een duidelijke fase-overgang doormaken bij het afkoelen van vloeistof naar vaste stof, is dat bij glas niet zo.

Glas is een amorf materiaal. Schematische weergave van de moleculaire structuur ervan. (Bron afbeelding.)

Bij een mineraal als bergkristal vormen de zijvlakken regelmatige veelvlakken, die verraden dat de atomen binnenin een regelmatig roosterpatroon vormen. Alle zogenaamde kristallijne stoffen – zoals bergkristal, maar ook ijzer of diamant – kan men op kleine schaal als vaste stof herkennen. Stoffen die op macroscopische schaal vast lijken, maar die geen kristalrooster vertonen, noemen we ‘glazen’. Het silicaglas dat we voor ruiten en drinkglazen gebruiken is hiervan het bekendste voorbeeld.

Maar is glas dan wel écht een vaste stof, zoals de macroscopische eigenschappen ervan doen vermoeden, of moet de microscopische structuur de doorslag geven en is het een onderkoelde vloeistof? Uiteraard zien we vensterglas niet stromen en is de binding tussen de atomen in een glas veel sterker dan in een gewone vloeistof. Maar is glas misschien een vloeistof met een extreem hoge viscositeit en stroomt het dus onmeetbaar traag: nog trager dan het pek in het beroemde pekdruppelexperiment? Er is een fysische maximumsnelheid in dit heelal, maar staat er ook een grens op traagheid?

Glasraam in Middeleeuwse kathedraal. De glasramen in Middeleeuwse kerken zijn onderaan vaak dikker. Deze eeuwenoude, stille getuigen lijken dus te bevestigen dat glas inderdaad traag stroomt. Dit ‘bewijs’ blijkt bij nader inzien echter geen stand te houden. Om te beginnen is er geen systematische studie gedaan op de diktevariaties in oude glasramen. Verder was het maken van grote glazen platen technisch gezien een hele krachttoer. Men draaide het glas tot een platte cilinder die aan de buitenkant dikker was. Zo waren er al van bij de productie diktevariaties aanwezig in het glas. Daarbij lijkt het wel zo verstandig om de dikste kant, die ook zwaarder en sterker is, waar mogelijk onderaan te plaatsen. Bovendien tonen berekeningen aan dat als glas merkbaar zou vloeien, het dan niet bovenaan dunner zou worden, maar verkorten! Dat komt niet overeen met wat we zien in die oude kerken.

Als klap op de vuurpijl is er ook glas bewaard gebleven dat nog veel ouder is, bijvoorbeeld uit het oude Egypte. Als glas echt zou vloeien bij kamertemperatuur, dan zouden deze artefacten inmiddels tot een vormeloze poel herleid moeten zijn, maar dat is niet zo. Er is in 2012 zelfs onderzoek gedaan op een stukje amber (een soort organisch glas) van twintig miljoen jaar oud, waaruit bleek dat dit materiaal in al die tijd evenmin vervloeid is.

Begin 2015 publiceerden theoretici een studie naar wat er met glas gebeurt als het verder wordt afgekoeld: verliest het ooit alle gelijkenis met een vloeistof? Er onstaan dan inderdaad gebieden die zich in meetkundige vormen ordenen, zoals regelmatige twintigvlakken. Dergelijke configuraties waren meer dan zesitg jaar eerder trouwens al voorspeld – niet op basis van berekeningen op supercomputers, maar op basis van fysische intuïtie. Een soort gezond verstand voor gevorderden als het ware.

Deze observaties laten uiteraard nog steeds de theoretische mogelijkheid open dat glas bij kamertemperatuur vloeit, maar dan zo traag dat de vervorming pas meetbaar zou worden na meer dan tien miljoen jaar. (Er zijn nog veel hogere schattingen in omloop.) Maar op dit punt sluit ik me aan bij wat Karins vader al lang wist: glas is geen vloeistof, want het vloeit niet.

Eerder stukje op mijn blog: