fysikere i USA har fået ny indsigt i en de fleste af de grundlæggende fænomener i fysik-smeltning af et fast stof. Arjun Yodh og kolleger ved University of Pennsylvania og Blackmore College har vist, at smeltning begynder ved defekter, før de spredes til hele krystallen (Videnskabsudtryk 11123991). Arbejdet vil hjælpe med at udfylde hullerne i vores viden om smelteprocessen.
det er svært at studere, hvad der sker, når et fast stof smelter, fordi de enkelte atomer er for små til at se, og fordi handlingen finder sted inde i det faste stof. Imidlertid har Yodh og kolleger overvundet disse problemer ved at bruge store temperaturfølsomme kolloide kugler, der måler næsten en mikron på tværs, for at repræsentere atomerne i en krystal. Når tætheden af kuglerne suspenderet i en opløsning er høj nok, danner de et tætpakket krystallinsk fast stof. Men når densiteten er reduceret, smelter denne krystal”.
Yodh og kolleger brugte kugler, der ændrer størrelse, når de opvarmes, hvilket igen ændrer det volumen, de optager i suspensionen. Opvarmning af kuglerne gør dem faktisk mindre, hvilket reducerer deres samlede volumen i krystallen og i sidste ende får krystallen til at smelte. Smeltning sker, når kuglerne optager cirka 55% af det tilgængelige krystalvolumen. Når kuglerne afkøles, bliver de større, hvilket fører til krystallisering af den kolloide væske.
“sfærerne opfører sig som enorme versioner af atomer med henblik på vores eksperiment,” siger teammed Ahmed Alsayed. Desuden kan et optisk mikroskop anvendes til at følge bevægelserne af de enkelte partikler under smelteprocessen.
eksperimentet viser, at smeltning begynder ved defekter — såsom revner, korngrænser og forskydninger — der er til stede i det ellers ordnede udvalg af atomer i krystallen. Desuden afslører partikelsporing øget lidelse i de krystallinske regioner, der grænser op til disse defekter, med mængden af lidelse afhængigt af typen af defekt.
ifølge Pennsylvania-Blackmore-teamet indebærer eksistensen af denne “forsmeltning” inde i det faste stof, at der findes en lille brøkdel af væske i krystallen, før bulksmeltningstemperaturen faktisk nås. Dette tyder på, at faste stoffer, der indeholder mange defekter, kan smelte lettere.
“vores resultater forbedrer vores forståelse af smeltning og tillader mere kvantitative forudsigelser af, hvordan et stof kan smelte,” sagde Yodh. “Det nye partikelsystem, vi udviklede, kunne også bruges til at studere udviklingen af defekter og premeltregioner under mekanisk belastning såvel som til kontrolleret observation af slukning, udglødning, krystallisering og glasovergangstemperaturen i faste stoffer.”