米国の物理学者は、物理学の基本的な現象の1つである固体の融解について新しい洞察を得ています。 Pennsylvania大学とSwarthmore CollegeのArjun Yodhたちは、融解は欠陥から始まり、結晶全体に広がることを示した(Sciencexpress11123991)。 この作業は、溶融プロセスに関する知識のギャップを埋めるのに役立ちます。
個々の原子が小さすぎて見ることができず、固体の内部で作用が起こるため、固体が溶けたときに何が起こるかを研究することは困難です。 しかし、Yodhたちは、結晶中の原子を表すために、ほぼ1ミクロンの大きさの温度に敏感なコロイド球を使用することで、これらの問題を克服しました。 溶液中に懸濁した球の密度が十分に高い場合、それらは密接に充填された結晶性固体を形成する。 しかし、密度が低下すると、この結晶は”溶ける”。
Yodhたちは、加熱すると大きさが変化する球を使用し、それによって懸濁液中に占める体積が変化した。 球を加熱すると、実際にはそれらが小さくなり、結晶内の総体積が減少し、最終的に結晶が溶融する原因となります。 融解は、球が利用可能な結晶体積の約55％を占めるときに起こる。 球が冷却されると、それらはより大きくなり、コロイド液体の結晶化をもたらす。
「球は我々の実験の目的のために原子の巨大なバージョンのように振る舞う」とチームメンバーのAhmed Alsayedは言う。 さらに、光学顕微鏡が溶けるプロセスの間に個々の粒子の動きに続くのに使用することができる。
この実験では、結晶中の秩序ある原子配列に存在する亀裂、粒界、転位などの欠陥から融解が始まることが示されています。 さらに、粒子追跡は、これらの欠陥に接する結晶領域における無秩序の増加を明らかにし、無秩序の量は欠陥のタイプに依存する。
Pennsylvania-Swarthmoreチームによると、固体内部にこの「前融解」が存在することは、バルク融解温度に実際に達する前に結晶内に少量の液体が存在することを意味する。 これは、多くの欠陥を含む固体がより容易に溶融する可能性があることを示唆している。
「我々の結果は、融解の理解を向上させ、物質がどのように融解するかをより定量的に予測することを可能にする」とYodhはPhysicsWebに語った。 「私たちが開発した新しい粒子システムは、機械的応力下での欠陥やプレメルト領域の進化を研究するだけでなく、固体中の焼入れ、焼鈍、結晶化、ガラス転移温度の制御された観察にも使用することができます。”