Guld i limbo mellem fast og smeltet tilstand

Hvis du opvarmer et fast materiale nok, den termiske energi (latent varme) får materialets molekyler til at bryde fra hinanden, danner en væske. Et af de mest kendte eksempler på denne faseovergang fra en velordnet fast til mindre ordnet flydende tilstand er is, der bliver til vand.

Selvom smeltning er en grundlæggende proces af stof, videnskabsmænd har ikke været helt i stand til at forstå, hvordan det virker på et mikroskopisk niveau, på grund af manglen på forskningskapacitet med tilstrækkelig tidsopløsning. Imidlertid, fremkomsten af ​​X-ray free-electron lasers (XFEL'er) i det sidste årti gør studiet af smeltemekanismen, såvel som anden ultrahurtig atomskala dynamik, muligt. Disse instrumenter bruger frie (ubundne) elektroner til at generere femtosekund (en kvadrilliontedel af et sekund) lysimpulser i røntgenenergiområdet. Sammenlignet med røntgensynkrotroner, XFEL'er har røntgenimpulser af meget kortere varighed og højere intensitet.

Nu, et hold af internationale videnskabsmænd har brugt et af disse instrumenter - Pohang Accelerator Laboratory XFEL (PAL-XFEL) i Sydkorea - til at overvåge smeltningen af ​​nanometertykke guldfilm, der består af masser af meget små krystaller orienteret i forskellige retninger. De brugte en ultrakort røntgenimpuls ("sonde") til at overvåge de strukturelle ændringer efter excitationen af ​​disse polykrystallinske guld-tynde film med en femtosekund-laser ("pumpe"), som fremkalder smeltning. Når røntgenpulsen rammer guldet, røntgenstrålen bliver diffrakteret i et mønster, der er karakteristisk for materialets krystalstruktur. Ved at indsamle røntgendiffraktionsbilleder ved forskellige pumpesonde-tidsforsinkelser på picosekunders (en billiontedel af et sekund) skalaer, de var i stand til at tage "snapshots", efterhånden som smeltningen begyndte og skred frem i de tynde guldfilm. Ændringer i diffraktionsmønstrene over tid afslørede dynamikken i krystalforstyrrelser. Forskerne udvalgte guld til denne undersøgelse, fordi det diffrakterer røntgenstråler meget kraftigt og har en veldefineret fast-til-væske overgang.

Røntgendiffraktionsmønstrene afslørede, at smeltning er inhomogen (uensartet). I et papir offentliggjort online i 17. januar-udgaven af Videnskabens fremskridt , videnskabsmænd foreslog, at denne smeltning sandsynligvis stammer fra grænsefladerne, hvor krystaller med forskellige orienteringer mødes (ufuldkommenheder kaldet korngrænser) og derefter forplanter sig til de små krystallinske områder (korn). Med andre ord, korngrænserne begynder at smelte før resten af ​​krystallen.

"Forskere troede, at smeltning i polykrystallinske materialer fortrinsvis forekommer ved overflader og grænseflader, men før XFEL var udviklingen af ​​smeltning som funktion af tid ukendt, " sagde co-korresponderende forfatter Ian Robinson, leder af X-ray Scattering Group i Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) afdelingen ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory. "Det var kendt, at laseren genererer "varme" (energiske) elektroner, som forårsager smeltning, når de overfører deres energi til krystallen. Ideen om, at denne energioverførselsproces fortrinsvis sker ved korngrænser og dermed ikke er ensartet, er aldrig blevet foreslået før nu."

"Mekanismen for laserinduceret smeltning er vigtig at overveje til mikrobearbejdning af præcisionsdele, der bruges i rumfart, bilindustrien, og andre industrier, " tilføjede førsteforfatter Tadesse Assefa, en postdoc i Robinsons gruppe. "Måden laseren kobler til materialet på er forskellig afhængig af laserens pulsvarighed. F.eks. de ultrakorte pulser af femtosekund-lasere ser ud til at være bedre end de længere pulser af nanosekund-lasere til at lave rene snit, såsom at bore huller."

Til deres eksperiment, forskerne fremstillede først tynde film af varierende tykkelse (50, 100, og 300 nanometer) ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven. Her, i CFN Nanofabrikationsfacilitet, de udførte elektronstrålefordampning, en aflejringsteknik, der bruger elektroner til at kondensere det ønskede materiale på et substrat. Det ultrarene miljø på denne facilitet gjorde det muligt for dem at skabe guldfilm af ensartet tykkelse over et stort prøveområde.

Hos PAL-XFEL, de udførte tidsopløst røntgendiffraktion på disse film over en række lasereffektniveauer. Software udviklet af personale i Brookhaven Labs Computational Science Initiative håndterede high-throughput-analysen af ​​terabytes af data genereret som en detektor, der indsamlede diffraktionsmønsterbillederne. Holdet brugte derefter software udviklet af forskere ved Columbia Engineering til at konvertere disse billeder til lineære grafer.

Afbildningerne afslørede en dobbelt top svarende til en "varm" region, der undergår smeltning (mellemspids) og en relativt "kold" region (resten af ​​krystallen), som endnu ikke har modtaget den latente smeltevarme. Gennem elektronkobling, varme går til korngrænserne og leder derefter ind i kornene. Denne optagelse af latent varme resulterer i et bånd af smeltende materiale klemt mellem to bevægelige smeltefronter. Over tid, dette bånd bliver større.

"En smeltefront er mellem et fast og smeltende område, og den anden mellem et smeltende og flydende område, " forklarede Robinson.

Næste, holdet planlægger at bekræfte deres model med to fronter ved at reducere størrelsen af ​​kornene (derved øge antallet af korngrænser), så de kan nå slutningen af ​​smelteprocessen. Fordi smeltning sker som en bølge, der krydser krystalkornene med en relativt langsom hastighed (30 meter i sekundet), det tager længere tid end instrumentets timingområde (500 picosekunder) at krydse store korn.

De vil også gerne se på andre metaller, legeringer (blandinger af flere metaller eller et metal kombineret med andre elementer) og katalytisk relevante materialer, hvor korngrænser er involveret i kemiske reaktioner.

"Denne undersøgelse repræsenterer selve begyndelsen på, hvordan vi opbygger en forståelse af smeltemekanismen, " sagde Assefa. "Ved at udføre disse eksperimenter med forskellige materialer, vi vil være i stand til at afgøre, om vores model er generaliserbar."