Studerer entropi i metalliske glas

Et team ledet af Caltech løste for nylig et årtier gammelt materialevidenskabsmysterium ved at spore entropiens oprindelse i metalliske briller.

Typisk, atomer i de fleste materialer arrangerer sig selv i stabile gentagelige mønstre langs et gitter, danner det, der generelt kaldes krystaller. Derimod, metalliske glas er metaller, der er blevet opvarmet, indtil de flydende, og derefter afkølet så hurtigt, at de ikke når at krystallisere, før de størkner. I stedet, de har en amorf, flydende struktur på atomniveau, der giver dem unikke fysiske egenskaber.

Et vedvarende mysterium om metalliske glas opstår ved den såkaldte "glasovergang". Et koldt metallisk glas er hårdt og skørt, men når det opvarmes forbi et bestemt punkt - glasovergangen - bliver det blødt.

Ved glasovergangen, forskere har bemærket en pludselig stigning i entropi i det materiale, der opvarmes. I termodynamik, entropi er mængden af ​​energi i et system, der er utilgængelig for at udføre arbejde - hvilket er knyttet til mængden af ​​tilfældighed i et system. Når det drejer sig om faseovergange, forestil dig is smelter i vand. Når vandmolekyler er låst i isens krystallinske struktur, de er i en lavenergitilstand med forholdsvis forudsigelige placeringer. Når isen smelter til en væske, disse vandmolekyler kan flyde ind i næsten enhver position, hvilket er en stigning i systemets tilfældighed - entropien -.

"Oprindelsen til den enorme entropi af glasset og væsken i forhold til krystallen er blevet diskuteret i den videnskabelige litteratur, siden metalliske glas blev opdaget i Caltech i 1960, "siger Caltech's Hillary Smith (MS '10, Ph.d. '14), hovedforfatter til et nyligt papir om entropi i metalliske glas, der blev offentliggjort i Naturfysik . Smith er forsker i laboratoriet hos Brent Fultz, Barbara og Stanley R.Rawn, Jr., Professor i materialevidenskab og anvendt fysik i afdelingen for teknik og anvendt videnskab ved Caltech, og medforfatter af papiret.

Teamet fokuserede på at skelne mellem mængden af ​​"konfigurationsentropi" og "vibrationsentropi" - de to hovedkilder til entropi i de fleste materialer - i metalliske briller.

Forestil dig at dumpe en pose mønter ud på en bordplade, og derefter tælle op, hvor mange der landede heads-up versus tails-up. Det er muligt at få alle hoveder eller alle haler, men det er statistisk mere sandsynligt at få omkring halvhoveder og halve haler, fordi der er flere måder for mønterne at arrangere sig på i en halv-og-halv konfiguration end i en konfiguration med alle hoveder. I termodynamik, man vil sige, at arrangementet med halvhoveder/halvhaler har en højere konfigurationsentropi.

Imidlertid, atomer (i modsætning til mønter) sidder ikke stille, men snarere vibrerer rundt i deres position. Mængden af ​​denne vibrationsentropi bestemmes, delvis, af stivheden i strukturen, der holder dets atomer på plads.

"Ved nøjagtigt at måle mængden af ​​denne varme, der kommer fra atomkonfigurationer og mængden, der kommer fra atoms vibrationer, vi var i stand til at bringe denne kontrovers til hvile for metalliske briller, "Siger Smith.

Teamet vurderede først metals vibrationsentropi i både glas- og krystalformer. For at gøre det, de brugte intense neutronstråler ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee til at bombardere hvert materiale, ringe hver prøve som en klokke og måle, hvordan den reagerede. De målte også den samlede entropi af glasset og krystallen ved hjælp af en teknik kaldet kalorimetri.

"At måle mængden af ​​entropien, der kommer fra atomernes vibrationer i et glas, var ikke mulig for et årti siden, "Smith siger." Det er kun takket være de utroligt intense neutronstråler, der er tilgængelige på Oak Ridge, at vi kunne lave dette eksperiment. Endelig, vi fandt det manglende stykke ved at validere en meget omdiskuteret teori, der aldrig var blevet testet. "

De opdagede, at selvom den totale entropi i glasset er meget større end i krystallen, deres vibrationsentropier er næsten identiske. Dette indikerer, at entropien i glasstrukturen næsten udelukkende stammer fra, hvordan atomerne ordner sig selv; det er, fra den konfigurationsmæssige entropi.

Næste, teamet planlægger at undersøge andre typer briller for at afgøre, om resultatet er universelt for alle briller.