Forskere måler krystalkernedannelse i superkølede atomvæsker

Forskere ved European XFEL i Schenefeld nær Hamborg har set nærmere på dannelsen af ​​den første krystallisation af kerner i superkølede væsker. De fandt ud af, at dannelsen starter meget senere end tidligere antaget. Resultaterne kunne hjælpe til bedre at forstå skabelsen af ​​is i skyer i fremtiden og til at beskrive nogle processer inde i Jorden mere præcist.

Ethvert barn ved, at vand fryser til is, når det bliver iskoldt. For vand sker dette normalt under 0°C, vandets smeltetemperatur. Dette er et fast punkt på Celsius temperaturskalaen, som vi bruger.

Men overgangen fra den flydende til den faste fase er en meget kompleks proces og er svær at studere eksperimentelt på atomniveau. En grund til dette er, at krystaller dannes tilfældigt:Du ved ikke præcis, hvornår og hvor det vil ske.

Ydermere kan en væske forblive i en metastabil tilstand i lang tid:Den forbliver flydende, selvom den egentlig skulle fryse og blive fast. Dette gør det ekstraordinært svært at udpege det rigtige tidspunkt for en krystal til at dannes og se dens vækst.

Disse effekter er dog meget relevante i naturen. For eksempel spiller de en afgørende rolle i dannelsen af ​​is i skyer eller i processer inde i Jorden.

Ved hjælp af de intense røntgenglimt fra den europæiske XFELs røntgenfrielektronlaser er det nu lykkedes et internationalt team af forskere ved det europæiske XFEL i Schenefeld nær Hamborg at måle kernedannelsen af ​​superkølede væsker. Forsøgene foregik i et vakuum, så røntgenlyset ikke interagerer med molekylerne i luften, hvilket ville forstyrre eksperimenterne.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

På grund af dets kompleksitet er vand dog en af ​​de sværeste væsker at modellere. Af den grund brugte forskerne i stedet argon og krypton i flydende form i deres forsøg. Faktisk er superkølede ædelgasvæsker de eneste systemer, for hvilke der på nuværende tidspunkt kan foretages pålidelige teoretiske forudsigelser.

Forskerne undersøgte eksplicit den såkaldte krystalkernedannelseshastighed J(T). Dette er et mål for sandsynligheden for, at en krystal vil dannes i et bestemt volumen inden for en bestemt tid. Den hastighed, hvormed dette sker, er en vigtig parameter, f.eks. for matematisk at kunne beskrive virkelige processer i modeller - i for eksempel vejrudsigter eller i klimamodeller.

Da det er så svært at måle reel krystaldannelse, bliver der ofte brugt simuleringer. Disse er dog forbundet med store usikkerheder. For eksempel kan nukleationshastighederne simuleret for vand afvige med flere størrelsesordener fra dem, der er målt eksperimentelt, hvilket gør modelleringen unøjagtig.

Den europæiske XFELs røntgenlaser er ideel til undersøgelser af denne art:Ved hjælp af intense røntgenglimt kan forskere undersøge de meget hurtige ændringer i udviklingen af ​​krystallisation.

Holdet valgte MID-instrumentet (MID =Materials Imaging and Dynamics) til deres eksperimenter. De bombarderede væskestrålerne med røntgenimpulser, der havde en energi på 9,7 kiloelektronvolt (keV). Hver røntgenimpuls varede mindre end 25 femtosekunder - et femtosekund svarer til en kvadrilliontedel af et sekund. For at illustrere, bevæger lys sig mindre end en millimeter på denne tid.

Forsøgslederne rettede det intense røntgenlys mod væskestrålen, som kun var 3,5 mikrometer tynd, og fokuserede den på en overflade med en diameter på mindre end en mikrometer. I alt optog holdet adskillige millioner diffraktionsbilleder for at have tilstrækkelig statistik og for at bestemme krystaldannelseshastigheden med tilstrækkelig nøjagtighed.

Ifølge deres resultater er krystalkernedannelseshastighederne meget mindre end dem, der er forudsagt på basis af simuleringer og den klassiske teori.

"Undersøgelsen lover at udvide vores forståelse af krystallisation markant," siger Johannes Möller fra MID instrument of European XFEL. "Resultaterne viser, at den meget brugte klassiske teori om dannelsen af ​​krystaller fra væskefasen afviger væsentligt fra virkeligheden."

"Vi forventer, at vores tilgang vil tillade at teste forskellige udvidelser af den klassiske teori til forudsigelse af krystallisation for første gang," tilføjer Robert Grisenti fra GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, seniorforfatter af undersøgelsen. "Vores resultater vil hjælpe teoretikere med at forfine deres modeller i fremtiden."