Forskning afslører, hvordan materialefejl påvirker smelteprocessen

I 1972, fysikere J. Michael Kosterlitz og David Thouless offentliggjorde en banebrydende teori om, hvordan faseændringer kan forekomme i todimensionale materialer. Eksperimenter viste hurtigt, at teorien korrekt fangede processen med en heliumfilm, der overgik fra et superfluid til en normal væske, hjælper med at indlede en ny æra med forskning i ultratynde materialer, for ikke at nævne at tjene Kosterlitz, professor ved Brown University, og tusind dele af Nobelprisen i fysik i 2016.

Men Kosterlitz-Thouless (K-T) teorien havde til formål at forklare mere end den superflydende overgang. Parret håbede også, at det kunne forklare, hvordan et todimensionalt fast stof kunne smelte til en væske, men eksperimenter har indtil nu ikke klart valideret teorien i så fald. Nu, ny forskning fra en anden gruppe af brune fysikere kunne hjælpe med at forklare uoverensstemmelsen mellem teori og eksperiment.

Forskningen, udgivet i Procedurer fra National Academy of Sciences , viser, hvordan urenheder-'ekstra' atomer i et materiales krystallinske struktur-kan forstyrre systemets rækkefølge og få smeltning til at begynde, inden K-T-teorien forudsiger, at det burde. Resultaterne er et skridt mod en mere komplet fysisk teori om smeltning, siger forskerne.

"Overgangen mellem fast og flydende er noget, vi alle kender, men det er en alvorlig fiasko i moderne fysik, at vi stadig ikke forstår præcis, hvordan det sker, "sagde Xinsheng Ling, en professor i fysik ved Brown og seniorforfatter af det nye papir. "Det, vi viste, er, at urenheder-som ikke er inkluderet i K-T-teorien, men altid findes i virkelige materialer-spiller en stor rolle i smelteprocessen."

Selvom detaljerne stadig er et stort mysterium, forskere har en grundlæggende forståelse for, hvordan faste stoffer smelter. Når temperaturen stiger, atomer i det krystallinske gitter af et fast stof begynder at jiggle rundt. Hvis jiggling bliver for voldsom til at gitteret kan holde sammen, det faste stof smelter til en væske. Men hvordan præcis smelteprocessen starter, og hvorfor den starter på bestemte steder i et fast stof i stedet for andre vides ikke.

Til denne nye undersøgelse, forskerne brugte små polystyrenpartikler suspenderet i stærkt deioniseret vand. Elektriske kræfter mellem de ladede partikler får dem til at indrette sig i et krystallignende gitter, der ligner måden atomer er arrangeret i et fast materiale. Ved hjælp af en laserstråle til at flytte individuelle partikler, forskerne kan se, hvordan gitterdefekter påvirker gitterets rækkefølge.

Defekter kan komme i to generelle former - ledige stillinger, hvor partikler mangler, og mellemliggende annoncer, hvor der er flere partikler, end der burde være. Denne nye undersøgelse undersøgte især effekten af ​​interstitials, som ingen tidligere undersøgelser havde undersøgt.

Undersøgelsen fandt ud af, at mens en interstitial i en given region kun gjorde en lille forskel i gitterets adfærd, to mellemliggende annoncer gjorde en stor forskel.

"Det, vi fandt, var, at to interstitielle defekter bryder strukturens symmetri på en måde, som enkeltfejl ikke gør, "Ling sagde." Den symmetri-nedbrydning fører til lokal smeltning, før K-T forudsiger. "

Det er fordi K-T-teorien omhandler defekter, der opstår som følge af termiske udsving, og ikke defekter, der muligvis allerede har eksisteret i gitteret.

"Rigtige materialer er rodet, "Sagde Ling." Der er altid urenheder. Kort sagt, systemet kan ikke skelne mellem urenheder og fejl, der er skabt ved termisk omrøring, hvilket fører til smeltning før det, der ville blive forudsagt. "

Den teknik, der blev brugt til undersøgelsen, kunne være nyttig andre steder, siger forskerne. For eksempel, det kan være nyttigt at studere overgangen mellem hårdt glas til en tyktflydende væske, et fænomen i forbindelse med fast-væske-overgangen, der også mangler en fuldstændig forklaring.

"Vi tror, ​​at vi ved et uheld har opdaget en ny måde at afdække symmetri-afbrydende mekanismer inden for materialefysik, "Ling sagde." Metoden i sig selv kan ende med at være den mest betydningsfulde ting ved dette papir ud over resultaterne. "