Akustiske emissioner fra organiske martensitanaloger

Nogle organiske krystaller hopper rundt, når de opvarmes. Dette sker på grund af en ekstremt hurtig ændring i deres krystalstruktur. I journalen Angewandte Chemie , forskere har nu demonstreret, at krystallerne udsender akustiske signaler under denne proces, som kan være nyttig til at analysere egenskaberne ved dette fænomen. Forskerne demonstrerede, at denne proces er analog med martensitiske overgange observeret i stål og nogle legeringer.

Martensit er en form for stål fremstillet ved at slukke austenit, og giver sit navn til en bestemt type faseovergang. Den hurtige afkøling af austenitten tillader ikke atomer at optage deres foretrukne struktur ved den lavere temperatur. I stedet, de bevæger sig i fællesskab for at danne martensitgitteret. I springende krystaller, et stort antal atomer ændrer også deres gitterpositioner i fællesskab. Høj hastighed af dette fænomen og det faktum, at krystallerne ofte eksploderer, har tidligere gjort det umuligt at bevise denne teori, forstå detaljerne, og gør brug af denne termosalende effekt, som det er kendt. Hoppekrystallernes evne til meget hurtigt at omdanne varme til bevægelse eller arbejde er potentielt nyttig til udvikling af kunstige muskler eller mikroskala robotarme.

Ud fra antagelsen om, at den pludselige frigivelse af den akkumulerede elastiske spænding i springende krystaller resulterer i relativt stærke akustiske bølger, ligner seismiske bølger fra et jordskælv, teamet fra New York University Abu Dhabi, den tyske elektronsynkrotron (DESY) i Hamborg, og Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart gik i gang med at arbejde. Anført af Panče Naumov, forskerne valgte at studere krystaller af den vegetabilske aminosyre L-pyroglutaminsyre (L-PGA). Disse springkrystaller ændrer deres krystalstruktur ved opvarmning til mellem 65 og 67 ° C; de vender tilbage til deres startstruktur ved afkøling mellem 55,6 og 53,8 ° C, som demonstreret ved røntgenkrystallografi med synkrotronstråling.

Som postuleret, krystallerne afgiver klare akustiske signaler under overgangen. Disse signaler kan registreres med en piezoelektrisk sensor. Nummeret, amplitude, frekvens, og form af signalerne gav forskerne oplysninger om dynamikken og mekanismen for effekten. Intensiteten og energien for den indledende akustiske bølge var signifikant højere og stigningstiden kortere end for efterfølgende bølger. Årsagen til dette er den mere effektive udbredelse af den elastiske bølge gennem det defektfrie medium i begyndelsen af ​​faseovergangen. Efterhånden som overgangen skrider frem, antallet af mikrofissurer stiger, hvilket reducerer den elastiske belastning.

Fasegrænsen mellem de forskellige krystalstrukturer skrider frem ved 2,8 m/s i L-PGA, hvilket er flere tusinde gange hurtigere end andre faseovergange. Imidlertid, de to krystalstrukturer ligner mere hinanden end forventet. Overgangen involverer udvidelser i to dimensioner og en sammentrækning i den tredje, alt i intervallet på kun 0,5-1,7 procent.

"Vores undersøgelse viser, at de hoppende krystaller er en klasse af materialer, der er analoge med uorganisk martensit, og dette kan have en enorm betydning for applikationer som f.eks. alorganisk elektronik, "siger Naumov." Akustiske emissionsteknikker giver endelig direkte indsigt i disse hurtige overgange. Vores resultater indikerer, at organisk materiale, der normalt opfattes som blødt og skørt, og meget hårdere materialer, såsom metaller og metallegeringer er, i det mindste på molekylært niveau, ikke så anderledes. Undersøgelsen af ​​den organiske fast tilstand kan give os mulighed for at få en bedre forståelse af de relaterede makroskopiske effekter. "