I fisici negli Stati Uniti hanno acquisito nuove conoscenze su uno dei fenomeni di base della fisica: la fusione di un solido. Arjun Yodh e colleghi dell’Università della Pennsylvania e dello Swarthmore College hanno dimostrato che la fusione inizia a difetti prima di diffondersi all’intero cristallo (Sciencexpress 11123991). Il lavoro aiuterà a colmare le lacune nella nostra conoscenza del processo di fusione.
È difficile studiare cosa succede quando un solido si scioglie perché i singoli atomi sono troppo piccoli per vedere e perché l’azione ha luogo all’interno del solido. Tuttavia, Yodh e colleghi hanno superato questi problemi utilizzando grandi sfere colloidali sensibili alla temperatura, che misurano quasi un micron attraverso, per rappresentare gli atomi in un cristallo. Quando la densità delle sfere sospese in una soluzione è abbastanza alta formano un solido cristallino chiuso. Tuttavia, quando la densità è ridotta, questo cristallo “si scioglie”.
Yodh e colleghi hanno utilizzato sfere che cambiano dimensione quando vengono riscaldate, il che a sua volta cambia il volume che occupano nella sospensione. Il riscaldamento delle sfere in realtà le rende più piccole, il che diminuisce il loro volume totale all’interno del cristallo e alla fine fa sì che il cristallo si sciolga. La fusione si verifica quando le sfere occupano circa il 55% del volume di cristallo disponibile. Quando le sfere vengono raffreddate diventano più grandi, il che porta alla cristallizzazione del liquido colloidale.
“Le sfere si comportano come enormi versioni di atomi ai fini del nostro esperimento”, dice il membro del team Ahmed Alsayed. Inoltre, un microscopio ottico può essere utilizzato per seguire i movimenti delle singole particelle durante il processo di fusione.
L’esperimento mostra che la fusione inizia da difetti — come crepe, confini di grano e dislocazioni — che sono presenti nella matrice altrimenti ordinata di atomi nel cristallo. Inoltre, il tracciamento delle particelle rivela un aumento del disturbo nelle regioni cristalline che confinano con questi difetti, con la quantità di disturbo a seconda del tipo di difetto.
Secondo il team Pennsylvania-Swarthmore, l’esistenza di questa “premelting” all’interno del solido implica che una piccola frazione di liquido esiste all’interno del cristallo prima che la temperatura di fusione alla rinfusa sia effettivamente raggiunta. Ciò suggerisce che i solidi che contengono molti difetti potrebbero sciogliersi più facilmente.
“I nostri risultati migliorano la nostra comprensione della fusione e consentono previsioni più quantitative su come una sostanza potrebbe sciogliersi”, ha detto Yodh a PhysicsWeb. “Il nuovo sistema di particelle che abbiamo sviluppato potrebbe anche essere utilizzato per studiare l’evoluzione dei difetti e delle regioni di premaglio sotto stress meccanico, nonché per l’osservazione controllata di tempra, ricottura, cristallizzazione e temperatura di transizione vetrosa nei solidi.”