Molekylmixning skapar superstabilt glas

Bild: Sandra Hultmark arbetar med ett prov av ett nytt glasmaterial och använder en FSC (Fast Scanning Calorimetry) maskin. Illustrationen till vänster visar åtta olika perylen-molekyler som har undersökts i studien. 

Med hjälp av en ny metod går det att framställa glas som både är superstabilt och har lång livslängd. Sådant glas kan bidra till att förbättra alltifrån läkemedel till avancerade bildskärmar och solceller. En Chalmersledd studie visar nu hur en mix av många molekyler – upp till åtta på samma gång – kan skapa glas med efterlängtade egenskaper.  

Glas är ett så kallat amorft ämne och saknar en vidsträckt ordnad struktur. Det gör att det inte bildar kristaller. Just det faktum att glas inte bildar kristaller gör det mycket användbart. Det vi vanligen kallar glas, exempelvis fönsterglas, är främst kiseldioxidbaserade, men glas kan formas av många olika ämnen. Vetenskapen söker ständigt efter nya glasartade material med bättre egenskaper och nya möjliga tillämpningar. Den aktuella studien publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Science Advances och innebär ett viktigt kliv framåt på det här området.

– Genom att blanda många molekyler har vi nu plötsligt öppnat upp möjligheten att skapa nya och mycket bättre glasformande material. Alla som arbetar med organiska molekyler vet att en blandning av två molekyler kan göra det lättare att forma glas, men ingen hade nog förväntat sig att fler, och så här många, skulle kunna ge ett så mycket bättre resultat, säger forskningsledaren Christian Müller, professor på institutionen för kemi och kemiteknik på Chalmers.

Stabilare än fönsterglas   
Glas bildas när en vätska kyls ner utan att den kristalliseras, en process som kallas vitrifikation. Metoden att använda två eller tre molekyler för att bilda ett glas är ett väletablerat koncept. Däremot har frågan om vad som händer när man blandar fler molekyler hittills fått liten uppmärksamhet.

I det här fallet har Chalmersforskarna experimenterat med att blanda upp till åtta olika perylenmolekyler, som var och en har en hög fragilitet. Fragilitet är ett värde som är relaterat till hur lätt materialet kan bilda glas och låga siffror betyder en god förmåga. Mixen av många molekyler gjorde att fragiliteten sänktes avsevärt och forskarna kunde få fram en mycket stabil glasbildare med rekordlåg fragilitet.

– Fragiliteten i glaset i studien är mycket låg och motsvarar de bästa resultaten för något organiskt material, men också jämfört med polymerer och oorganiska material som metalliska glas. Resultaten är jämförbara och till och med bättre än fragiliteten i vanligt fönsterglas, som är det vi hittills känt till som ett av de bästa på att bilda ett glas, säger Sandra Hultmark, doktorand på institutionen för kemi och kemiteknik på Chalmers och huvudförfattare till den vetenskapliga artikeln.

Förlänger produkters livslängd och sparar resurser
Viktiga användningsområden för stabila organiska glasmaterial är avancerad teknik i bildskärmar som OLED-skärmar och i förnybara energikällor som organiska solceller.

– OLED-skärmar är konstruerade med glasartade lager av organiska molekyler som kan utstråla ljus. Om de blir mer stabila kan vi öka hållbarheten för en OLED och därmed även skärmen, förklarar Sandra Hultmark.

Ytterligare ett användningsområde för stabila glas är läkemedel. Amorfa läkemedel löses upp snabbare och hjälper kroppen att ta upp den aktiva substansen. Därför utformas många läkemedel i glasartad form. För dessa läkemedel är det avgörande att glaset inte kristalliseras över tid. Ju stabilare glas, desto längre tid kan läkemedlen användas.

– Med stabilare glas eller glasbildande material, kan vi förlänga livslängden på ett stort antal produkter, vilket i sin tur sparar på både jordens resurser och ekonomi, säger Christian Müller.

Mer om forskningen

• Den vetenskapliga artikeln “Vitrification of octonary perylene mixtures with ultralow fragility” har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science Advances och är skriven av Sandra Hultmark, Alex Cravcenco, Khuschbu Khushwaha, Suman Mallick, Paul Erhardt, Karl Börjesson och Christian Müller. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet.
• Forskarna valde att arbeta med en serie av små, konjungerade molekyler som består av en kärna av perylen med olika påhängande alkylgrupper. Alla åtta perylenderivaterna kristalliserades lätt när de var separerade från blandningen och visade på en fragilitet på över 70.
• Mixen av de åtta perylenderivaterna resulterade i ett material som uppvisar en fragilitet på endast 13. Det är ett rekordlågt värde för något glasformande material som hittills utforskats, vilket även inkluderar polymerer och oorganiska material som metalliska glas och kiseldioxid.
• Forskningsprojektet är finansierat av Vetenskapsrådet, Europeiska forskningsrådet (European Research Council) och Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse genom projektet Mastering Morphology for Solution-borne Electronics.

För mer information, kontakta:

Christian Müller, professor på institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola
031-772 27 90
christian.muller@chalmers.se

Sandra Hultmark, doktorand på institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola
sanhul@chalmers.se