Væske-til-glas overgangsproces får klarhed

I årtusinder, mennesker har brugt smeltet sand og andre ingredienser til at lave glas og modeperler, fartøjer, linser og vinduer.

Disse dage, metalliske briller - udelukkende fremstillet af metalatomer - udvikles til biomedicinske applikationer såsom ekstra skarpe kirurgiske nåle, stents, og kunstige led eller implantater, fordi legeringerne kan være ultrahårde, ekstra stærk, meget glat og modstandsdygtig over for korrosion.

Mens en kombination af forsøg og fejl og videnskabelig forskning hjalp med at forfine glasfremstillingsprocesser over tid, at kontrollere frembringelsen af ​​metalliske briller på atomniveau er fortsat et upræcist forsøg, der hovedsageligt er informeret af lang erfaring og intuition.

"Vores job, " siger Paul Voyles, "er at opbygge grundlæggende forståelse ved at tilføje flere data."

Beckwith-Bascom-professor i materialevidenskab og teknik ved University of Wisconsin-Madison, Voyles og samarbejdspartnere i Madison og ved Yale University har gjort betydelige eksperimentelle fremskridt med at forstå, hvordan, når og hvor de konstant bevægelige atomer i smeltet metal "låses" på plads, når materialet overgår fra flydende til fast glas.

De beskrev, hvad de observerede om, hvordan disse atomer omarrangeres ved forskellige temperaturer over tid i dag (19. marts, 2018) i journalen Naturkommunikation . Det er viden, der kan tilføre tiltrængt eksperimentel klarhed til flere konkurrerende teorier om, hvordan denne proces, kaldet glasovergangen, opstår. Det kan også hjælpe med at reducere tid og omkostninger forbundet med udvikling af nye metalliske glasmaterialer, og give producenterne større indsigt i procesdesign.

En behandlingsudfordring er, at når metaller overgår fra smeltet væske til fast, de har en tendens til at danne sig ordentligt, regelmæssigt gentage atomare strukturer kaldet krystaller. I modsætning, glasmaterialer har en meget uordnet atomstruktur. Og mens man laver et højtydende metallisk glas lyder lige så enkelt som at forhindre metalatomer i at danne krystaller, når materialet afkøles, i virkeligheden, det afhænger lidt af lodtrækningen.

"Processen, der laver et glas og processen, der får en krystal til at konkurrere med hinanden, og den der vinder - den der sker hurtigere - bestemmer det endelige produkt, "siger Voyles, hvis arbejde er støttet af National Science Foundation og US Department of Energy.

I en væske, alle atomerne bevæger sig hele tiden forbi hinanden. Når et smeltet metal afkøles, og begynder sin overgang til et solidt, dets atomer bremser og til sidst holder op med at bevæge sig.

Det er en kompliceret atom-dans, som forskerne stadig er ved at opklare. På baggrund af deres ekspertise inden for elektronmikroskopi og dataanalyse, Voyles og hans samarbejdspartnere har målt, hvor lang tid det tager, gennemsnitlig, for at et atom kan få eller miste tilstødende atomer, når dets miljø svinger i den smeltede væske.

"Et atom er omgivet af en flok andre atomer, "Siger Voyles." Ved virkelig høje temperaturer, de hopper rundt og hvert picosekund (en billiontedel af et sekund), de har et nyt sæt naboer. Når temperaturen falder, de bliver ved med deres naboer længere og længere, indtil de holder fast. "

Ved høje temperaturer, atomerne bevæger sig alle hurtigt. Derefter, når væsken afkøles, de bevæger sig langsommere; en enkel beskrivelse kan være, at alle atomer bremser sammen, i samme takt, indtil de holder op med at bevæge sig, og materialet bliver til et massivt glas.

"Vi har nu demonstreret eksperimentelt, at det ikke er det, der sker, "siger Voyles.

Hellere, han siger, hans holds eksperimenter bekræftede, at den tid, det tager for atomer at låse sig på plads, varierer meget - med mindst en størrelsesorden - fra sted til sted i den samme væske.

"Nogle nanometer-størrelser bliver først 'klæbrige' og holder på deres naboer i meget lang tid, der henviser til, at mellem de klæbrige bits er bits, der bevæger sig meget hurtigere, " siger han. "De fortsætter med at svinge 10 gange hurtigere end i de langsomme dele, og så bliver alt langsommere, men de klæbrige dele bliver også større, indtil de klæbrige dele 'vinder', og materialet bliver et solidt."

Nu, han og hans samarbejdspartnere arbejder på at forstå, hvordan atomarrangementerne er forskellige mellem de langsomme og hurtige dele.

"Det er den næste store manglende brik i puslespillet, " han siger.

Forskuddet giver værdifuld information om den grundlæggende proces, hvorigennem ethvert glasmateriale - fra vinduesglas til plastikflasker til farmaceutiske præparater og mange andre - går fra flydende til fast, siger Voyles.

"Dette er virkelig grundlæggende videnskab, " siger han. "Men den ultimative potentielle effekt for applikationer er, hvis vi virkelig forstår, hvordan dette fungerer på atomniveau, det giver os mulighed for at opbygge kontrol, der lader os lave briller ud af det, vi ønsker, i stedet for kun at få briller, når vi er heldige. "