yhdysvaltalaiset fyysikot ovat saaneet uusia oivalluksia yhdestä fysiikan perusilmiöstä – kiinteän aineen sulamisesta. Arjun Yodh ja kollegat Pennsylvanian yliopistossa ja Swarthmore Collegessa ovat osoittaneet, että sulaminen alkaa vioista ennen kuin se leviää koko kristalliin (Sciencexpress 11123991). Työ auttaa täyttämään aukot tiedossamme sulamisprosessista.
on vaikea tutkia, mitä tapahtuu, kun kiinteä aine sulaa, koska yksittäiset atomit ovat liian pieniä nähdäkseen ja koska toiminta tapahtuu kiinteän aineen sisällä. Yodh ja kollegat ovat kuitenkin voittaneet nämä ongelmat käyttämällä suuria lämpötilalle herkkiä kolloidisia palloja, jotka mittaavat lähes yhden mikronin läpimitaltaan, edustamaan kideen atomeja. Kun liuokseen ripustettujen pallojen tiheys on tarpeeksi suuri, ne muodostavat tiiviin kiteisen kiinteän aineen. Kun tiheys kuitenkin pienenee, tämä kide ”sulaa”.
Yodh ja kollegat käyttivät kuumentaessaan palloja, joiden koko muuttuu, mikä puolestaan muuttaa jousituksessa olevaa äänenvoimakkuutta. Pallojen kuumentaminen tekee niistä itse asiassa pienempiä, mikä vähentää niiden kokonaistilavuutta Kiteen sisällä ja lopulta saa Kiteen sulamaan. Sulaminen tapahtuu, kun pallot vievät noin 55% käytettävissä olevasta kidetilavuudesta. Kun pallot jäähdytetään, ne suurenevat, mikä johtaa kolloidisen nesteen kiteytymiseen.
”pallot käyttäytyvät kuin valtavat atomiversiot kokeiluamme varten”, sanoo ryhmän jäsen Ahmed Alsayed. Lisäksi optisella mikroskoopilla voidaan seurata yksittäisten hiukkasten liikkeitä sulamisprosessin aikana.
koe osoittaa, että sulaminen alkaa vioista — kuten halkeamista, raerajoista ja sijoiltaanmenoista — joita esiintyy Kiteen muutoin järjestäytyneessä atomijoukossa. Lisäksi hiukkasseuranta paljastaa lisääntyneen häiriön kiteisillä alueilla, jotka reunustavat näitä vikoja, ja häiriön määrä riippuu vian tyypistä.
Pennsylvania-Swarthmore Teamin mukaan tämän ”esisulatuksen” olemassaolo kiinteän aineen sisällä viittaa siihen, että Kiteen sisällä on pieni osa nestettä ennen kuin irtolastin sulamislämpötila on todella saavutettu. Tämä viittaa siihen, että kiinteät aineet, jotka sisältävät paljon vikoja, saattavat sulaa helpommin.
”tuloksemme parantavat ymmärrystämme sulamisesta ja mahdollistavat enemmän kvantitatiivisia ennusteita siitä, miten aine voisi sulaa”, Yodh kertoi PhysicsWeb-lehdelle. ”Kehittämäämme uutta hiukkasjärjestelmää voitaisiin käyttää myös mekaanisessa rasituksessa olevien vikojen ja esipoistoalueiden kehityksen tutkimiseen sekä kiinteiden aineiden vaimennuksen, hehkutuksen, kiteytymisen ja lasittumislämpötilan kontrolloituun tarkkailuun.”