To-dimensionel smeltning af hårde kugler eksperimentelt opløst efter 60 år

Efter omfattende research, forskere fra Institut for Kemi ved University of Oxford har fundet eksperimentelle beviser, der kaster nyt lys over smeltningen af ​​todimensionale stoffer. Fund fra undersøgelsen kan bruges til at understøtte teknologiske forbedringer af tyndfilmsmaterialer, såsom grafen.

Forskere fra gruppen af ​​professor Roel Dullens ved Oxfords afdeling for kemi har eksperimentelt belyst, hvordan smeltning af et todimensionalt fast stof af hårde kugler sker. Med dette arbejde løser de et af de mest fundamentalt vigtige, men stadig udestående spørgsmål inden for videnskaben om kondenseret stof. Ud over, disse resultater udgør hjørnestenen for den videre forståelse og udvikling af todimensionelle materialer.

Smeltning, faseovergangen, hvor et stof går fra et fast stof til en væske, forstås bredt i grundlæggende termer. Men på trods af at de støder på regelmæssigt i hverdagen, (uanset om det er på arbejdspladsen, hjem eller naturlige verden), forskere har længe forsøgt at forstå smelteprocessen på et grundlæggende niveau.

Smeltning af et fast stof til en væske er et af de mest almindeligt videnskabelige fænomener. Imidlertid, forståelse af denne transformation er især mystisk for faste stoffer i to dimensioner. Her, den berømte Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) teori foreslår, at en mellemliggende, delvist forstyrret tilstand, kaldet 'hexatic', eksisterer mellem faststof og væske. Der er gjort en betydelig indsats for at forstå disse 'topologiske' overgange, hvortil Kosterlitz og Thouless blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2016. Men for det enkleste interagerende system af mange partikler, todimensionale hårde kugler, der har været en forbløffende mangel på konsensus trods de første simuleringer blev udført for over 60 år siden.

Dr. Alice Thorneywork og kolleger brugte optisk mikroskopi til at studere monolag af kolloide modelhårde kugler (se boks 2) vippet med en lille vinkel for at introducere en gradient i partikelkoncentrationen. For hårde sfærer, adfærden styres kun af denne koncentration, som gjorde det muligt for dem at identificere og karakterisere væsken, hexatisk, og faste tilstande og arten af ​​overgangene mellem dem i et enkelt eksperiment. Resultaterne viser, at smeltningen sker via en kontinuerlig fast-hexatisk overgang efterfulgt af en førsteordens hexatisk-væskeovergang.