Smeltet fast under frysepunktet

Faseovergange omgiver os - f.eks. flydende vand skifter til is, når det er frosset, og til damp, når det koges. Nu, forskere ved Carnegie Institution for Science har opdaget et nyt fænomen med såkaldt metastabilitet i en flydende fase. En metastabil væske er ikke helt stabil. Denne tilstand er almindelig i underkølede væsker, som er væsker, der afkøles under frysepunktet uden at blive til et fast stof eller en krystal. Nu, forskere rapporterer det første eksperimentelle bevis for at skabe en metastabil væske direkte ved den modsatte fremgangsmåde:smeltning af en højtryksfast krystal af metalbismut via en dekompressionsproces under dens smeltepunkt.

Resultaterne, rapporteret den 23. januar, 2017, udgave af Naturkommunikation , kunne være vigtig for at udvikle nye materialer og for at forstå dynamikken i planetarisk interiør, såsom jordskælv, fordi en metastabil væske kunne fungere som et smøremiddel, der stærkt påvirker dynamikken i Jordens indre.

"Faseovergange findes i to grundlæggende smag, forklarede Carnegie, medforfatter Guoyin Shen, direktør for High-Pressure Collaborative Access Team på Advanced Photon Source. "I en type, de kemiske bindinger brydes ikke, når materialet går fra en fase til en anden. Men de ændrer sig i orden og længde på en ordnet måde. Den anden, kaldes rekonstruktiv faseovergang, er mere kaotisk, men den mest udbredte i naturen og fokus for denne undersøgelse. I disse overgange, dele af de kemiske bindinger brydes, og strukturen ændres betydeligt, når den går ind i en ny fase. "

Tryk kan bruges til at ændre fasen af ​​et materiale ud over opvarmning og afkøling. Forskerne satte en form for krystallinsk vismut i en trykinducerende diamantamboltcelle, og udsatte den for pres og dekompression fra 32, 000 gange atmosfærisk tryk (3,2 GPa) til 12, 000 atmosfærer (1,2 GPa) ved en temperatur på 420 ° F (489 K). Kun under dekomprimering, omkring 23, 000 atmosfærer, vismut smelter til en væske. Så klokken 12, 000 atmosfærer det omkrystalliseres.

"Rigdommen i krystallinsk struktur af bismut er især nyttig til at overvære ændringer i strukturen af ​​et materiale, "bemærkede hovedforfatter Chuanlong Lin.

Forskerne afbildede ændringerne ved hjælp af en teknik kaldet røntgendiffraktion, som bruger meget højere røntgenstråler end dem, vi bruger til medicinsk billeddannelse og derfor kan skelne struktur på atomniveau. De gennemførte fem forskellige kompressions-/dekompressionsrunder af eksperimenter.

"Vismen viste en metastabil væske i processen med fast-fast fase-overgange under dekompression ved ca. 23, 000 til 15, 000 atmosfærer, "Sagde Lin.

Forskerne fandt også ud af, at den metastabile tilstand kan bestå i timer under smeltepunktet under statiske forhold. Interessant nok, den metastabile væske, der produceres ved dekomprimering, fandt sted i et tryk-temperaturområde, der ligner det sted, hvor der afkøles bismuth.

"Fordi rekonstruktive faseovergange er den mest grundlæggende type, denne forskning giver en helt ny måde at forstå, hvordan forskellige materialer ændrer sig, "Sagde Shen." Det er muligt, at andre materialer kunne vise en lignende metastabil væske, når de gennemgår rekonstruerende overgange, og at dette fænomen er mere udbredt, end vi troede. Resultaterne vil uden tvivl føre til utallige overraskelser inden for både materialevidenskab og planetarisk videnskab i de kommende år. "