Du tror du vet hva glass er: Noe man drikker av og noe man bruker til å lage vindusruter. Men glass er faktisk en bred betegnelse som dekker alle væsker som i nedkjølt tilstand blir en hard struktur.

På Roskilde Universitet sitter en forskergruppe på grunnforskningssenteret Glas og Tid, som arbeider med væsker. De vil forstå hva som skjer med væsker når de blir kjølt ned.

Men ved å lage trykkeksperimenter med væskene har forskerne imidlertid fått et ekstra redskap, noe som ført til ny og uventet kunnskap – at noen væsker er enklere enn andre. Forskergruppen har dermed en bedre forståelse av alle væsker, også de som er langt fra glasstilstanden (den fjerde aggregattilstanden, i tillegg til fast, flytende og gass).

– Vi har forsøkt å forstå alle væsker på én måte, men nå har vi funnet ut at det er en type som er spesielt enkle. Det kan brukes til å lage en modell for å forstå mer kompliserte væsker, sier førsteamanuensis Kristine Niss.

Resultatene ble publisert i oktobernummeret av Nature Physics.

En ny klassifikasjon

Trykkeksperimentene skiller de to egenskapene som normalt kjennetegner en nedkjølt væske: At den trekker seg sammen, og at molekylene beveger seg langsommere, noe som gjør den tyktflytende.

Når man setter væskene under trykk, endrer man bare volumet av væsken, og ikke farten på molekylene. Det vil si at den trekker seg sammen og blir seigtflytende uten at temperaturen endres.

Volumet i den nedkjølte væsken, i dette tilfellet en silikonolje, viste seg imidlertid å være mer tett forbundet med temperaturen enn man trodde.

– Det var en svært sterk overensstemmelse mellom virkningen av endringer i volum og temperaturen. For å forstå væsken trenger jeg ikke å vite hva både volum og temperaturen er hver for seg – jeg trenger bare å kjenne kombinasjonen, sier Niss.

– Typisk vil vi kjenne begge to, men det er et ledd i vår fornyet forståelse at vi kan se det som to sider av samme sak.

Sammenhengen mellom volum og temperatur gjelder imidlertid bare for noen få væsker, de såkalte «enkle» væskene, og plutselig hadde forskerne en ny klassifikasjon av de væskene de hadde arbeidet med siden 2005.

En rekke brikker falt på plass

Inndelingen i enkle og og kompliserte væsker fikk en masse brikker til å falle på plass, forteller professor Jeppe C. Dyre, som er senterleder ved Glas og Tid. Eksempler på enkle væsker er olje og smeltet metall, mens vann og alkohol er kompliserte.

– Så langt har det ikke vært noen som har stilt spørsmålet: «Hva er en enkel væske?» Nå er det plutselig masse ting som gir mening. Så vi så med en gang at vi hadde funnet noe viktig, sier han.

Forskerne oppdaget for eksempel ut at smeltevarmen i en enkel væske, dividert med temperaturen, er uavhengig av trykket. Hvis man for eksempel har en balje vann med isbiter, og begynner å tilføre varme, så vil isen smelte før temperaturen stiger.

Smeltevarmen er et uttrykk for hvor mye energi som kreves for at temperaturen i praksis begynner å stige.

Med andre ord har forskerne vist at det er mulig å forutsi en væskes oppførsel, for eksempel om den blir mer tykt- eller tyntflytende, under ekstremt høye trykk ut fra målinger ved normalt trykk.

Kan hjelpe til å forstå alle væsker

Forskerne vet nå hvordan de enkle væskene oppfører seg under alle mulige trykkforhold.

Og selv om reglene bare gjelder for de enkle væskene, kan oppdagelsen også hjelpe forskerne med å forstå de mer kompliserte væskene. Med en basismodell blir det nemlig lettere å se hvor en komplisert væske skiller seg fra normen.

I første omgang er det snakk om ren grunnforskning, forteller Jeppe C. Dyre. Men en forståelse av væsker under ekstremt trykk er relevant i en rekke sammenhenger: For eksempel er det viktig å kjenne viskositeten i den store massen flytende stein i jordens indre for å kunne forutsi flyteprosesser, kontinentaldrift og så videre.

– Et annet eksempel er forståelse av noe så enkelt som smøreoljer – i motorer utsettes denne væsken for høyt trykk og høye temperaturer, sier Dyre.

Gikk mot trenden

De enkle væskene er ofte blitt oversett, av flere grunner. Først og fremst var man ikke klar over at de var så enkle at det var mulig å lage et så generelt regelsett for dem.

Dessuten har det vært en tendens til å undersøke mer og mer kompliserte væsker, selv om man ikke har forstått de enkle, forteller Kristine Niss:

– Vi er gått litt mot strømmen. Det viste seg å være lurt.

Forsøket ble utført av ni forskere fra Glas og Tid, i samarbeid med tre forskere fra Naval Research Laboratory (Washington D.C., USA) og en forsker fra University of California (Berkeley, USA). Nå skal de i gang med å finne ut hvor mange enkle væsker som finnes, hvorfor de er så enkle og om modellene kan brukes til å forstå mer kompliserte væsker.

– Det er den første artikkelen som undersøker dette eksperimentelt, og inntil videre har vi bare prøvd teorien på en silikonolje og gjennom datamodeller. Overensstemmelsen i datasystemet er nesten for god. Det er nesten mer riktig enn vi ville ha trodd – så nå skal prøve det i virkeligheten for flere væsker, sier Niss.

Referanse:

Ditte Gunderman et.al., Predicting the density-scaling exponent of a glass-forming liquid from Prigogine–Defay ratio measurements, Nature, juli 2011 (sammendrag)

 ___________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygård for forskning.no