Forskere kan forudse væskers opførsel under højt tryk
Nye forsøg udført af fysikere fra RUC viser, at det er muligt at forudsige en væskes opførsel under ekstremt højt tryk. Forskningsresultatet er en vigtig brik i at komme tættere på en forståelse af de materialer, der omgiver os i hverdagen - fx glas, plastik og metal
Kristine Niss og Jeppe Dyre.
Hvorfor bliver en karamel blød, når man holder den i hånden? Hvorfor kan glas være både flydende og hårdt? Det kan en række nye forsøg udført på RUC's grundforskningscenter 'Glas og Tid' måske gøre os klogere på.
Forsøgene har nemlig vist, at man ved meget mere om en bestemt type væsker - såkaldte 'simple væsker' som fx olier og metal - og deres viskositet under forskellige tryk og temperaturer, end hidtil antaget. Mere præcist har forskernes påvist, at det er muligt at forudsige en væskes opførsel, det vil fx sige om den blive sejere eller mere tyndtflydende, under ekstremt høje tryk ud fra målinger udført ved et normalt tryk (svarende til én atmosfæres tryk). Under normalt tryk kan forskerne nemlig sige noget om, hvad der sker med væsken under ikke mindre end 10.000 atmosfæres tryk.
”Det, vi har fundet ud af, svarer lidt til, at man måler på vinden i dag – og ud fra det kan forudsige, ikke bare hvordan vejret bliver i morgen her i Danmark, men også hvordan vejret bliver om præcis 6 måneder – på Hawaii!”, forklarer lektor i fysik ved RUC Kristine Niss.
Matematiske ligninger løser gåden
Når en væske bliver trykket sammen ændres viskositeten: væsken bliver sejere, dvs. mere tyktflydende. Når en væske bliver koldere, øges sejheden også. Men hvor meget sejere bliver væsken, når temperaturen sænkes - i forhold til når man udsætter den for højt tryk? Det er dét, forskerne nu har fundet svaret på og kan forklare med matematiske ligninger:
”Det nye er, at vi nu forstår forholdet mellem tryk og temperatur, og hvad det betyder for en væskes viskositet. Vi har hele tiden kunne måle det – men nu forstår vi det også”, fortæller Kristine Niss.
Men hvorfor er det så vigtigt at forstå det, hvis man hele tiden har kunnet måle det?
”Stenaldermennesket kunne også se solen stå op og gå ned – nu ved vi, at det er fordi jorden drejer rundt. At forstå det vil sige, at vi ved hvorfor ,” forklarer Kristine Niss.
En guldmine
Professor i fysik ved RUC Jeppe Dyre, som også er en af videnskabsmændene bag de nye forsøg, taler hurtigt og med meget begejstring, når han fortæller om det nye forskningsresultat:
”Vi har nu de ligninger, der betyder, at 'vi kan regne den ud' – uden at ændre trykket”, forklarer han.
Forskningsresultatet er blevet publiceret i oktober-nummeret af det anerkendte tidsskrift Nature Physics, hvor den også kommenteres af glasforskningens 'grand old man' Austen Angell i en såkaldt ”News and Views”-kommentar.
”Vores kolleger ude i verden siger til os: ’I har fundet en guldmine’ – og det er også den fornemmelse, vi selv har, selvom det med grundforskning kan være svært at sige, præcis hvad opdagelsen på sigt vil føre til", siger Jeppe Dyre, men påpeger, at forudsigelsen - som dog kun gælder de ”simple” væsker og ikke fx vand som er 'ekstremt kompliceret' - kan åbne op for en masse ny viden om materialer, vi i dag kun har begrænset viden om. Kristine Niss supplerer:
"Hvorfor går glas fx fra at være flydende til at blive hårdt ved en given temperatur? Hvorfor findes glasovergang overhovedet? Det er vores håb, at vi en dag kan opklare det. Og det er blot en af de ting, vores forsøg har rykket os tættere på en forståelse af.”
Ny viden til industrien
Begge forskere understreger dog, at de bedriver grundforskning, og at det derfor ikke er muligt - eller formålet - at kunne sige, præcis hvordan forskningen vil kunne finde anvendelse.
”Newton havde heller ikke en idé om, at man 300 år senere kunne bruge hans ligninger i en Toyota-motor”, pointerer Jeppe Dyre.
De to RUC-fysikere vover dog alligevel at komme med et par bud på anvendelsen:
”Rigtig mange ting er i virkeligheden det, vi forstår ved en væske, fx plastic. Og det har rigtig stor betydning for industrien at forstå materialeegenskaber, fx i fødevareindustrien og medicinalindustrien”, siger Kristine Niss.
Den lille dims, man bruger til at trykke simkortet på en iPhone 4 ud med, er et eksempel på et produkt, hvor man har anvendt en ny type materiale. Dimsen er nemlig Apples storskala-test af metalglas, som hidtil stort set ikke har været masseproduceret, fordi man kun har begrænset viden om materialets egenskaber.
"Nye innovative materialer vil altid være vigtige for industrien. Det kunne også være i medicinalindustrien, hvor man har brug for piller, kroppen har let ved at opløse", siger Kristine Niss.
Drømmescenariet
For Kristine Niss er drømmescenariet, at fysikstuderende om 20 år lærer om den opdagelse, de har gjort, fordi den er vigtig for vores grundlæggende forståelse af verden – og derfor ”selvfølgelig også på sigt vil finde anvendelse”:
”Men det her handler først og fremmest om at forstå verden – og ikke nødvendigvis om at lave bedre smøreolier i morgen”, påpeger hun.
”Vi kan sende folk til månen, men vi kan ikke helt sige, hvorfor en karamel bliver blød, når vi holder den i hånden. Det er da vildt mærkeligt – og fascinerende.”
Læs også Bedre asfalt skal reducere CO2-udledningen
Faktaboks - Simple væsker vs. komplicerede væsker
I fysikkens verden er mange væsker, som fx olie eller smeltet metal, defineret som simple. Vand og alkohol er derimod eksempler på 'komplicerede væsker'. Faktisk er vand en ekstremt kompliceret væske, som bryder mange forskellige regler inden for fysikken. Fx udvider næsten alle stoffer sig ved opvarmning, men ved temperaturer mellem nul og fire grader trækker vand sig sammen ved opvarmning. Desuden udvider langt de fleste stoffer sig ved smeltning, men vand trækker sig sammen - det er derfor isbjerge flyder oven på vandet: de har mindre massefylde end vand.
Vands mærkelige egenskaber skyldes, at molekylerne sidder ordnet i særlige formationer, som gør, at der er meget, man ikke ved om vand selv i dag, hvor der forskes intensivt i vands struktur og dynamik.
RUC-forskernes fokus er rettet mod den modsatte ende af ’kompliceretheds-skalaen’: de simpleste væsker, som forskerne altså nu har påvist er endnu simplere end hidtil antaget.
Læs flere artikler fra Tæt på videnskaben