Fysikere I USA har fått ny innsikt i en de fleste av de grunnleggende fenomener i fysikk-smelting av et fast stoff. Arjun Yodh og kolleger Ved University Of Pennsylvania og Swarthmore College har vist at smelting begynner ved feil før de sprer seg til hele krystallet (Sciencexpress 11123991). Arbeidet vil bidra til å fylle hullene i vår kunnskap om smelteprosessen.
det er vanskelig å studere hva som skjer når et fast stoff smelter fordi de enkelte atomer er for små til å se og fordi handlingen foregår inne i det faste stoffet. Imidlertid har Yodh og kolleger overvunnet disse problemene ved å bruke store temperaturfølsomme kolloidale sfærer, som måler nesten en mikron over, for å representere atomene i en krystall. Når tettheten av kulene suspendert i en løsning er høy nok de danner en tett pakket krystallinsk solid. Men når tettheten er redusert, smelter denne krystallet».
Yodh og kolleger brukte kuler som endrer størrelse når de blir oppvarmet, noe som igjen endrer volumet de opptar i suspensjonen. Oppvarming av kulene gjør dem faktisk mindre, noe som reduserer deres totale volum i krystallet og til slutt fører til at krystallet smelter. Smelting oppstår når kulene opptar omtrent 55% av det tilgjengelige krystallvolumet. Når kulene avkjøles, blir de større, noe som fører til krystallisering av kolloidvæsken.
«kulene oppfører seg som enorme versjoner av atomer for formålet med eksperimentet vårt,» sier Teammedlem Ahmed Alsayed. Videre kan et optisk mikroskop brukes til å følge bevegelsene til de enkelte partiklene under smelteprosessen.
forsøket viser at smelting begynner ved defekter — som sprekker, korngrenser og dislokasjoner-som er tilstede i det ellers ordnede utvalg av atomer i krystallet. Videre avslører partikkelsporing økt lidelse i de krystallinske områdene som grenser til disse feilene, med mengden av lidelse avhengig av type defekt.
ifølge Pennsylvania-Swarthmore-teamet innebærer eksistensen av denne «premelting» inne i det faste stoffet at en liten brøkdel av væske eksisterer i krystallet før massesmeltingstemperaturen faktisk er nådd. Dette antyder at faste stoffer som inneholder mange feil, kan smelte lettere.
» våre resultater forbedrer vår forståelse av smelting og tillater mer kvantitative spådommer om hvordan et stoff kan smelte, » fortalte Yodh PhysicsWeb. «Det nye partikkelsystemet vi utviklet, kunne også brukes til å studere utviklingen av defekter og premeltområder under mekanisk stress, samt for kontrollert observasjon av slukking, glødning, krystallisering og glassovergangstemperaturen i faste stoffer.»