fizycy w USA uzyskali nowe spojrzenie na jedno z podstawowych zjawisk w fizyce-topnienie ciała stałego. Arjun Yodh i współpracownicy z University of Pennsylvania i Swarthmore College wykazali, że topnienie rozpoczyna się przy defektach, zanim rozprzestrzeni się na cały kryształ (Sciencexpress 11123991). Prace te pomogą wypełnić luki w naszej wiedzy na temat procesu topienia.
trudno jest zbadać, co się dzieje, gdy ciało stałe topi się, ponieważ pojedyncze atomy są zbyt małe, aby je zobaczyć i ponieważ akcja ma miejsce wewnątrz ciała stałego. Jednak Yodh i współpracownicy przezwyciężyli te problemy, używając dużych wrażliwych na temperaturę kul koloidalnych, które mierzą prawie jeden mikron średnicy, aby reprezentować Atomy w krysztale. Gdy gęstość kul zawieszonych w roztworze jest wystarczająco wysoka, tworzą one ściśle upakowane krystaliczne ciało stałe. Jednak gdy gęstość jest zmniejszona, kryształ ten „topi się”.
yodh i współpracownicy używali kulek, które zmieniają rozmiar po podgrzaniu, co z kolei zmienia objętość zajmowaną w zawiesinie. Ogrzewanie kul powoduje ich zmniejszenie, co zmniejsza ich całkowitą objętość w krysztale i ostatecznie powoduje stopienie się kryształu. Topnienie następuje, gdy kule zajmują około 55% dostępnej objętości kryształu. Po schłodzeniu kul stają się większe, co prowadzi do krystalizacji cieczy koloidalnej.
„kule zachowują się jak ogromne wersje atomów na potrzeby naszego eksperymentu”, mówi członek zespołu Ahmed Alsayed. Ponadto mikroskop optyczny może być używany do śledzenia ruchów poszczególnych cząstek podczas procesu topienia.
eksperyment pokazuje, że topnienie rozpoczyna się w defektach — takich jak pęknięcia, granice ziaren i dyslokacje — które są obecne w uporządkowanym układzie atomów w krysztale. Ponadto, śledzenie cząstek ujawnia zwiększone zaburzenie w krystalicznych regionach, które graniczą z tymi wadami, z ilością zaburzeń w zależności od rodzaju wady.
według zespołu Pennsylvania-Swarthmore, istnienie tego „premeltingu” wewnątrz ciała stałego oznacza, że w krysztale istnieje niewielka frakcja cieczy przed faktycznym osiągnięciem temperatury topnienia luzem. Sugeruje to, że ciała stałe, które zawierają wiele wad, mogą łatwiej topić się.
„nasze wyniki poprawiają nasze zrozumienie topnienia i pozwalają na bardziej ilościowe przewidywania tego, jak substancja może się stopić”, powiedział Yodh PhysicsWeb. „Opracowany przez nas nowatorski system cząstek może być również wykorzystywany do badania ewolucji defektów i obszarów premelt pod wpływem naprężeń mechanicznych, a także do kontrolowanej obserwacji hartowania, wyżarzania, krystalizacji i temperatury zeszklenia w ciałach stałych.”