az Egyesült Államok fizikusai új betekintést nyertek a fizika egyik alapvető jelenségébe – egy szilárd anyag olvadásába. Arjun Yodh és munkatársai a Pennsylvaniai Egyetemen és a Swarthmore College-ban kimutatták, hogy az olvadás a hibáknál kezdődik, mielőtt az egész kristályra kiterjedne (Sciencexpress 11123991). A munka segít kitölteni az olvasztási folyamat ismereteinek hiányosságait.
nehéz tanulmányozni, mi történik, amikor egy szilárd anyag megolvad, mert az egyes atomok túl kicsik ahhoz, hogy láthassák, és mert a cselekvés a szilárd anyag belsejében zajlik. Yodh és kollégái azonban ezeket a problémákat úgy oldották meg, hogy nagy hőmérséklet-érzékeny kolloid gömböket használtak, amelyek majdnem egy mikront mérnek, hogy ábrázolják az atomokat egy kristályban. Ha az oldatban szuszpendált gömbök sűrűsége elég magas, akkor szorosan csomagolt kristályos szilárd anyagot képeznek. Ha azonban a sűrűség csökken, ez a kristály “megolvad”.
Yodh és munkatársai olyan gömböket használtak, amelyek melegítéskor megváltoztatják a méretüket, ami viszont megváltoztatja a szuszpenzióban elfoglalt térfogatot. A gömbök melegítése valójában kisebbé teszi őket, ami csökkenti a kristály teljes térfogatát, és végül a kristály megolvad. Az olvadás akkor következik be, amikor a gömbök a rendelkezésre álló kristálytérfogat körülbelül 55% – át foglalják el. Amikor a gömbök lehűlnek, nagyobbak lesznek, ami a kolloid folyadék kristályosodásához vezet.
“a gömbök úgy viselkednek, mint az atomok hatalmas változatai kísérletünk céljából” – mondja Ahmed Alsayed, a csapat tagja. Ezenkívül optikai mikroszkóp használható az egyes részecskék mozgásának követésére az olvasztási folyamat során.
a kísérlet azt mutatja, hogy az olvadás olyan hibáknál kezdődik, mint például repedések, szemcsehatárok és diszlokációk, amelyek a kristály egyébként rendezett atomcsoportjában vannak jelen. Ezenkívül a részecskekövetés fokozott rendellenességet tár fel az ezen hibákkal határos kristályos régiókban, a rendellenesség mértékével a hiba típusától függően.
a Pennsylvania-Swarthmore csapat szerint ennek az “előolvasztásnak” a szilárd anyagon belüli létezése azt jelenti, hogy a folyadék kis része létezik a kristályban, mielőtt az ömlesztett olvadási hőmérsékletet ténylegesen elérnék. Ez arra utal, hogy a sok hibát tartalmazó szilárd anyagok könnyebben megolvadhatnak.
“eredményeink javítják az olvadás megértését, és lehetővé teszik a kvantitatív előrejelzéseket arról, hogy egy anyag hogyan olvadhat meg” – mondta Yodh a PhysicsWeb-nek. “Az általunk kifejlesztett új részecskerendszert fel lehet használni a mechanikai igénybevétel alatt fellépő hibák és előolvasztott régiók fejlődésének tanulmányozására, valamint a szilárd anyagok kioltásának, lágyításának, kristályosodásának és az üveg átmeneti hőmérsékletének ellenőrzött megfigyelésére.”