Physiker in den USA haben neue Erkenntnisse über eines der grundlegendsten Phänomene der Physik gewonnen – das Schmelzen eines Festkörpers. Arjun Yodh und Kollegen von der University of Pennsylvania und dem Swarthmore College haben gezeigt, dass das Schmelzen bei Defekten beginnt, bevor es sich auf den gesamten Kristall ausbreitet (Sciencexpress 11123991). Die Arbeit wird dazu beitragen, die Wissenslücken über den Schmelzprozess zu schließen.
Es ist schwierig zu untersuchen, was passiert, wenn ein Feststoff schmilzt, weil die einzelnen Atome zu klein sind, um sie zu sehen, und weil die Aktion innerhalb des Feststoffs stattfindet. Yodh und Kollegen haben diese Probleme jedoch überwunden, indem sie große temperaturempfindliche kolloidale Kugeln mit einem Durchmesser von fast einem Mikrometer verwendet haben, um die Atome in einem Kristall darzustellen. Wenn die Dichte der in einer Lösung suspendierten Kugeln hoch genug ist, bilden sie einen dicht gepackten kristallinen Feststoff. Wenn jedoch die Dichte verringert wird, „schmilzt“ dieser Kristall.
Yodh und Kollegen verwendeten Kugeln, deren Größe sich ändert, wenn sie erhitzt werden, was wiederum das Volumen ändert, das sie in der Suspension einnehmen. Durch Erhitzen der Kugeln werden sie tatsächlich kleiner, wodurch ihr Gesamtvolumen im Kristall verringert wird und der Kristall letztendlich schmilzt. Schmelzen tritt auf, wenn die Kugeln ungefähr 55% des verfügbaren Kristallvolumens einnehmen. Wenn die Kugeln abgekühlt werden, werden sie größer, was zur Kristallisation der kolloidalen Flüssigkeit führt.
„Die Kugeln verhalten sich für unser Experiment wie riesige Versionen von Atomen“, sagt Teammitglied Ahmed Alsayed. Darüber hinaus kann ein optisches Mikroskop verwendet werden, um die Bewegungen der einzelnen Partikel während des Schmelzprozesses zu verfolgen.
Das Experiment zeigt, dass das Schmelzen an Defekten — wie Rissen, Korngrenzen und Versetzungen — beginnt, die in der ansonsten geordneten Anordnung von Atomen im Kristall vorhanden sind. Darüber hinaus zeigt die Partikelverfolgung eine erhöhte Unordnung in den kristallinen Bereichen, die an diese Defekte angrenzen, wobei das Ausmaß der Unordnung von der Art des Defekts abhängt.
Laut dem Pennsylvania-Swarthmore-Team impliziert die Existenz dieses „Vorschmelzens“ im Feststoff, dass ein kleiner Teil der Flüssigkeit im Kristall vorhanden ist, bevor die Schmelztemperatur tatsächlich erreicht ist. Dies deutet darauf hin, dass Feststoffe, die viele Defekte enthalten, leichter schmelzen können.
„Unsere Ergebnisse verbessern unser Verständnis des Schmelzens und ermöglichen quantitativere Vorhersagen darüber, wie eine Substanz schmelzen könnte“, sagte Yodh gegenüber PhysicsWeb. „Das neuartige Partikelsystem, das wir entwickelt haben, könnte auch zur Untersuchung der Entwicklung von Defekten und Vorschmelzbereichen unter mechanischer Belastung sowie zur kontrollierten Beobachtung von Abschrecken, Glühen, Kristallisation und der Glasübergangstemperatur in Festkörpern verwendet werden.“