fysiker i USA har fått nya insikter i ett av de grundläggande fenomenen i fysiken-smältningen av ett fast ämne. Arjun Yodh och kollegor vid University of Pennsylvania och Swarthmore College har visat att smältning börjar vid defekter innan den sprids till hela kristallen (Sciencexpress 11123991). Arbetet kommer att hjälpa till att fylla i luckorna i vår kunskap om smältprocessen.
det är svårt att studera vad som händer när ett fast ämne smälter eftersom de enskilda atomerna är för små för att se och eftersom åtgärden äger rum inuti det fasta ämnet. Yodh och kollegor har emellertid övervunnit dessa problem genom att använda stora temperaturkänsliga kolloidala sfärer, som mäter nästan en mikron över, för att representera atomerna i en kristall. När densiteten hos sfärerna suspenderade i en lösning är tillräckligt hög bildar de ett tätt packat kristallint fast ämne. Men När densiteten reduceras, smälter denna kristall”.
Yodh och kollegor använde sfärer som ändrar storlek när de värms upp, vilket i sin tur ändrar volymen de upptar i suspensionen. Uppvärmning av sfärerna gör dem faktiskt mindre, vilket minskar deras totala volym i kristallen och i slutändan får kristallen att smälta. Smältning sker när sfärerna upptar cirka 55% av den tillgängliga kristallvolymen. När kulorna kyls blir de större, vilket leder till kristallisering av den kolloidala vätskan.
”sfärerna beter sig som enorma versioner av atomer för syftet med vårt experiment”, säger teammedlem Ahmed Alsayed. Dessutom kan ett optiskt mikroskop användas för att följa rörelserna hos de enskilda partiklarna under smältprocessen.
experimentet visar att smältning börjar vid defekter — såsom sprickor, korngränser och dislokationer-som finns i den annars ordnade matrisen av atomer i kristallen. Vidare avslöjar partikelspårning ökad störning i de kristallina regionerna som gränsar till dessa defekter, med mängden störning beroende på typen av defekt.
enligt Pennsylvania-Swarthmore-teamet innebär förekomsten av denna ”försmältning” inuti det fasta ämnet att en liten bråkdel av vätska finns i kristallen innan bulksmältningstemperaturen faktiskt uppnås. Detta tyder på att fasta ämnen som innehåller massor av defekter kan smälta lättare.
”våra resultat förbättrar vår förståelse för smältning och tillåter mer kvantitativa förutsägelser om hur ett ämne kan smälta”, berättade Yodh PhysicsWeb. ”Det nya partikelsystemet vi utvecklade kunde också användas för att studera utvecklingen av defekter och premelt regioner under mekanisk stress, liksom för kontrollerad observation av släckning, glödgning, kristallisering och glasövergångstemperaturen i fasta ämnen.”