Ultrahurtige røntgenimpulser afslører, hvordan et fast stof smelter til væske

Ved at aflyse en række ultrahurtige røntgenimpulser mod et fast materiale, har forskerne været i stand til at fange den utroligt hurtige proces med smeltning i hidtil usete detaljer. Deres resultater er rapporteret i tidsskriftet Nature Physics.

Smeltning er en faseovergang, der opstår, når et fast stof bliver til en væske. Det er en kompleks proces, der involverer brydning af bindinger mellem atomer eller molekyler. Ved at studere smeltningsprocessen på atomniveau kan videnskabsmænd få indsigt i stoffets grundlæggende adfærd.

Eksperimenterne blev udført ved Linac Coherent Light Source (LCLS), en fri-elektronlaser placeret ved Stanford Linear Accelerator Center i Menlo Park, Californien. LCLS producerer ekstremt lyse, korte pulser af røntgenstråler, der kan bruges til at sondere materialer på atomniveau.

I eksperimenterne rettede forskerne røntgenimpulserne mod et tyndt mål af silicium, et halvledermateriale. De analyserede derefter de spredte røntgenstråler for at bestemme atomarrangementet i siliciumet, da det smeltede.

Resultaterne viste, at smelteprocessen begynder med dannelsen af ​​små, flydende dråber på overfladen af ​​silicium. Disse dråber vokser derefter og smelter til sidst sammen for at danne et væskelag. Hele smelteprocessen fandt sted på mindre end en milliardtedel af et sekund.

Forskerne observerede også, at smeltningsprocessen er påvirket af tilstedeværelsen af ​​defekter i siliciumgitteret. Disse defekter fungerer som kernedannelsessteder for dannelsen af ​​væskedråber.

Forskerholdet ledet af Philip H. Bucksbaum ved SLAC National Accelerator Laboratory forklarer vigtigheden af ​​disse indsigter med deres praktiske anvendelser, herunder forbedring af nuværende industrielle materialer og teknologier ved at udnytte smeltedynamikken på tværs af længdeskalaer inden for områder, herunder mikroelektronik, additiv fremstilling, 3D-print, højenergitæthedsfysik, planetarisk videnskab og nuklear astrofysik.

Forskerne siger, at deres resultater kunne bruges til at udvikle nye materialer, der er modstandsdygtige over for smeltning, eller som har et specifikt smeltepunkt. De mener også, at deres arbejde kan bidrage til at forbedre forståelsen af ​​geologiske processer som vulkanudbrud.