Glas is voor wetenschappers nog altijd één groot mysterie

Een bekend voorbeeld van een stof die alle drie de fases kent, is water. Op kamertemperatuur is water vloeibaar. Bij een temperatuur boven de honderd graden spreken we over een gas en wanneer water bevriest wordt het ijs en bevindt het zich in de vaste fase.

De verschillende fases van een stof zijn ook zichtbaar op atomair niveau. Atomen zijn de kleinste bouwstenen van het materiaal. Bij gas bevinden de atomen zich ver van elkaar en hebben daarom veel bewegingsruimte ,,In vloeistof zitten de atomen dichter op elkaar dan in gasvorm, maar kunnen evengoed nog vrij makkelijk bewegen. Dat is ook de reden dat een vloeistof makkelijk kan stromen”, legt Liesbeth Janssen uit. In een vaste stof, zitten de atomen zo dicht tegen elkaar dat ze niet meer kunnen bewegen; ze bevinden zich in een zogezegd kristalrooster.

,,Als je glas vastpakt, merk je direct dat het een hard, vast materiaal is, net als ijs. Echter, als we glas op atomair niveau bekijken en als het ware gaan inzoomen, dan zien we iets heel vreemds.” We verwachten een kristalrooster, net als bij andere vaste stoffen. ,,Maar verrassend genoeg ziet de atomaire structuur van glas er net zo uit als die van een vloeistof.” Dat is dus iets anders dan je zou verwachten volgens de wetten van de natuurkunde.

Wat we zien is een vierde fase waarin een materiaal zich kan bevinden, de minder bekende ‘glasfase’. Glas heeft, ondanks zijn vloeistofachtige atomaire structuur een vaste vorm omdat de atomen veel minder beweeglijk zijn dan in een vloeistof. ,,In het glas zitten de atomen over het algemeen ietsjes dichter bij elkaar. Dat blijkt enorme consequenties te hebben voor de bewegingsvrijheid van de atomen.” Het atomaire verschil tussen een vloeistof en glas is er dus wel degelijk, maar is heel subtiel.

In glas zitten atomen in een kooi die is gemaakt van andere atomen, dit wordt ook wel het ‘kooi-effect’ genoemd. Een atoom kan dan alleen bewegen als een ander atoom dat ook doet. ,,Uiteindelijk staat alles dan helemaal stil.” Dit valt, volgens Janssen, te vergelijken met het wurmen van je lichaam door de menigte op een festival. ,,Als naast jouw buurvrouw allemaal mensen staan, en daarnaast ook, dan wordt het moeilijk om weg te komen want iedereen moet zich eerst verplaatsen.” Door dit principe is glas een harde stof.

Aan de hand van het ‘kooi-effect’ kunnen we deels verklaren waardoor een minimaal verschil in de atomaire structuur, de fases van stoffen toch anders kunnen zijn. Hoe het komt dat glas helemaal niet kan stromen, ondanks de vloeistof-achtige structuur van de atomen, is nog altijd een mysterie. Janssen noemt glas dan ook alles behalve glashelder.

_{*Dit is een wekelijkse bijdrage van de Universiteit van Nederland}

De Universiteit van Nederland heeft ook een podcast. Vind afleveringen terug op Spotify en iTunes.

Bekijk hieronder meer colleges van de Universiteit van Nederland: