natuurkundigen in de VS hebben nieuwe inzichten verworven in een van de meest fundamentele natuurkundige fenomenen: het smelten van een vaste stof. Arjun Yodh en collega ‘ s van de Universiteit van Pennsylvania en Swarthmore College hebben aangetoond dat smelten begint bij gebreken voordat het zich verspreidt naar het hele kristal (Sciencexpress 11123991). Het werk zal helpen de leemten in onze kennis van het smeltproces op te vullen.
het is moeilijk te bestuderen wat er gebeurt wanneer een vaste stof smelt omdat de afzonderlijke atomen te klein zijn om te zien en omdat de actie in de vaste stof plaatsvindt. Echter, Yodh en collega ‘ s hebben deze problemen overwonnen door het gebruik van grote temperatuurgevoelige colloïdale bollen, die bijna een micron doorsnede meten, om de atomen in een kristal weer te geven. Wanneer de dichtheid van de in een oplossing gesuspendeerde bolletjes hoog genoeg is, vormen ze een dichtgepakte kristallijne vaste stof. Echter, wanneer de dichtheid wordt verminderd, dit kristal “smelt”.
Yodh en collega ‘ s gebruikten bollen die van grootte veranderen wanneer ze worden verwarmd, wat op zijn beurt het volume verandert dat ze in de suspensie innemen. Het verwarmen van de bollen maakt ze eigenlijk kleiner, wat hun totale volume binnen het kristal vermindert en uiteindelijk zorgt ervoor dat het kristal om te smelten. Smelten vindt plaats wanneer de bollen ongeveer 55% van het beschikbare kristalvolume innemen. Wanneer de bollen worden afgekoeld worden ze groter, wat leidt tot kristallisatie van de colloïdale vloeistof. “De bollen gedragen zich als enorme versies van atomen ten behoeve van ons experiment”, zegt teamlid Ahmed Alsayed. Bovendien kan een optische microscoop worden gebruikt om de bewegingen van de individuele deeltjes tijdens het smeltproces te volgen.
het experiment toont aan dat smelten begint bij defecten — zoals scheuren, korrelgrenzen en dislocaties — die aanwezig zijn in de anders ordelijke array van atomen in het kristal. Bovendien, deeltjestracking onthult verhoogde wanorde in de kristallijne gebieden die aan deze tekorten grenzen, met de hoeveelheid wanorde afhankelijk van het type defect. Volgens het team van Pennsylvania-Swarthmore impliceert het bestaan van deze” voorsmelting ” in de vaste stof dat er een kleine fractie vloeistof in het kristal aanwezig is voordat de smelttemperatuur daadwerkelijk wordt bereikt. Dit suggereert dat vaste stoffen die veel defecten bevatten gemakkelijker kunnen smelten. “Onze resultaten verbeteren ons begrip van smelten en laten meer kwantitatieve voorspellingen toe over hoe een stof zou kunnen smelten,” vertelde Yodh aan PhysicsWeb. “Het nieuwe deeltjessysteem dat we hebben ontwikkeld, kan ook worden gebruikt om de evolutie van defecten en premeltgebieden onder mechanische belasting te bestuderen, evenals voor gecontroleerde observatie van blussen, gloeien, kristallisatie en de glastemperatuur in vaste stoffen.”