(Nanowerk Haberleri) Universitat Autònoma de Barcelona ve ICN2’den araştırmacılar, camın ısıtıldığında ve aşırı soğutulmuş bir sıvı faza dönüştüğünde ne olduğunu mikroskop altında gerçek zamanlı olarak ilk kez gözlemlemeyi mümkün kılan bir metodoloji geliştirdiler. Bu araştırma, “cam geçişi” olarak bilinen bir süreci inceler ve Doğa Fiziği dergisinde (“Bir bardağın gevşemesinin gerçek zamanlı mikroskopisi”) yayınlanmıştır. Bu çalışma, kriyoprezervasyon, ilaç üretimi, elektronik cihazlar ve doku mühendisliğinde önemli bir yere sahip olan proteinlerin, hücrelerin ve canlı dokuların durumunu incelemektedir.
Atomik kuvvet mikroskobu ile ilk kez elde edilen camsı geçiş işleminin neden olduğu yüzey dalgalanmasının görüntüsü. (Resim: UAB/ICN2)
Cam, düzensiz bir yapıya sahip katı bir malzeme olup olağanüstü yüksek viskoziteye sahip bir sıvı olarak kabul edilebilir. Cam, şeffaf ve vitray pencerelerde, televizyon ekranlarında, mobil cihazlarda, fiber optiklerde, endüstriyel plastik malzemelerde ve kriyoprezervasyon için dondurulduğunda proteinlerin, hücrelerin ve canlı dokuların durumunda bulunur.
Camın davranışlarını ayrıntılı olarak açıklayabilen teoriler ve modeller geliştirmek oldukça zordur. Bir sıvının soğuduğunda cam oluşturması ve camın ısıtıldığında nasıl sıvı hale dönüştüğü, yani “cam geçişi”, tam olarak anlaşılamamıştır. Fizikçiler hala bu durumun bir faz geçişi olup olmadığından emin değillerdir ve camı, sıvı ve katı hallerden farklı bir termodinamik durum olarak kabul edebilirler veya camın aşırı soğutulmuş bir sıvı olduğunu düşünebilirler.
Cam ve aşırı soğutulmuş sıvının yapıları neredeyse ayırt edilemez olduğu için, mikroskopta yeterli çözünürlükte görselleştirmek oldukça zor bir teknik zorluktur. Bu nedenle, Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) Fizik Bölümü ve Katalan Nanobilim ve Nanoteknoloji Enstitüsü’nden (ICN2) araştırmacılar, camdaki süreci doğrudan gözlemlemek için yeni bir metodoloji geliştirmiştir.
Araştırmacılar, ultra kararlı organik cam üzerinde çalışmışlardır. Bu camlar, geleneksel camlardan daha yoğun olup daha yüksek kinetik ve termodinamik stabilite gösterirler. Ultra kararlı cam, geleneksel camdan farklı olarak, sıvı hale dönüşme sürecinde net ayrımlar olmadan küresel olarak sıvıya dönüşmez. Aksine, kristal katılarda görülen bir süreç olan aşırı soğutulmuş bir sıvı durumuna dönüşür. Bu geçiş süreci daha önce dolaylı olarak nanokalorimetri ölçümleriyle açıklanmıştır ancak ilk defa doğrudan gözlemlenmiştir.
Bu geçişi gözlemlemek için, ultra kararlı cam, daha yüksek geçiş sıcaklığına sahip iki cam tabakası arasına sıkıştırılmıştır. Ultra kararlı cam tabakası geçiş sıcaklığının üzerine ısıtıldığında, yüzeydeki kararsızlıklar dış tabakalara aktarılır ve atomik kuvvet mikroskobu ile doğrudan gözlemlenebilir hale gelir.
Çalışma, camın devitrifikasyonunun gerçek zamanlı olarak takip edilmesini sağlar. Yüzeyin deformasyonunu ve zaman içindeki gelişimini gözlemlemek, aşırı soğutulmuş bir sıvıya doğru gevşeme sürecinin dinamiklerini ölçmek için oluşan sıvı arasındaki mesafeleri doğrudan ölçmektedir. Bu sayede, bu tür camlarda sıvı alanlar arasındaki mesafelerin olağanüstü derecede büyük olduğu ve bu mesafelerin malzeme süreçleriyle uyumlu olduğu gösterilmiştir.