Ekstra store 'atomer' giver Penn-fysikere mulighed for at løse gåden om, hvorfor ting smelter

FYSIKKER er tættere på at forstå, hvorfor materialer, såsom is og metal, smelter, når de opvarmes, takket være en ny teori udviklet af forskere ved University of Pennsylvania.

Det banebrydende arbejde, der er offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Science, kaster lys over et grundlæggende mysterium, der har undret videnskabsmænd i århundreder.

At forstå smeltning på atomær skala er afgørende, da det understøtter en række fænomener fra klimaændringer til funktionaliteten af ​​elektroniske enheder som smartphones.

GÅDE OM SMELTNING

Forestil dig at placere is i et varmt rum og observere det langsomt forvandle sig til flydende vand - et fænomen, vi tager for givet i hverdagen.

På atomniveau involverer denne proces omarrangering af isens ordnede krystalstruktur til en mere uordnet, flydende tilstand. Varmeenergi, leveret af det varme rum, giver det nødvendige skub til at overvinde de kræfter, der holder atomerne eller molekylerne fast i deres krystalpositioner, så de kan flyde frit forbi hinanden.

Forskere har længe søgt en detaljeret forståelse af denne proces - en beskrivelse, der redegør for de specifikke forhold, der kræves for at forårsage smeltning. Hvorfor smelter is for eksempel ved en bestemt temperatur, mens metaller som kobber smelter ved meget højere temperaturer?

Svaret ligger i styrken af ​​interatomiske bindinger - de kræfter, der holder atomer eller molekyler sammen i et fast stof.

I faste stoffer er disse kræfter stærke nok til at holde atomer låst på plads og danner regelmæssige krystallinske strukturer. Når temperaturen stiger, får den tilførte energi atomerne til at vibrere kraftigere, hvilket gradvist svækker disse bindinger.

Når først vibrationsenergien overstiger styrken af ​​bindingerne, kollapser krystalstrukturen, og materialet smelter og går fra fast til flydende tilstand.

EN NY TEORI OG EKSTRA STORE ATOMER

Mens denne generelle forståelse af smeltning har eksisteret i nogen tid, har forskere kæmpet for at udvikle en præcis teori, der nøjagtigt kan forudsige smeltetemperaturen for forskellige materialer.

Problemet opstår, fordi styrken af ​​interatomiske bindinger ikke kun afhænger af selve materialet, men også af de indviklede detaljer om, hvordan atomerne er arrangeret i krystalgitteret - et komplekst problem at tackle teoretisk.

Den nye teori, formuleret af et team ledet af Gregory G. Barba, Ph.D., assisterende professor i Penns Institut for Fysik og Astronomi, omgår denne kompleksitet ved at introducere en ny tilgang.

"Vores teori er inspireret af en usædvanlig klasse af materialer kaldet bløde kolloider," siger Barba. "De er som superstore atomer med diametre hundredvis af gange større end almindelige atomer."

I disse bløde kolloider opfører kræfterne mellem partiklerne sig på en enklere måde end i konventionelle materialer, hvilket gør det lettere at studere og forstå.

Ved at analysere, hvordan disse gigantiske partikler interagerer og smelter, fik forskerne nøgleindsigt, som de derefter anvendte til at udvikle en generel teori om smeltning.

Deres teori afhænger af begrebet "effektiv temperatur" - et mål for, hvor stærkt atomer vibrerer i krystalgitteret.

Når den effektive temperatur af et materiale overstiger en kritisk værdi, kan de interatomiske bindinger ikke længere holde krystalstrukturen sammen, hvilket fører til smeltning.

"Vores teori giver en præcis matematisk beskrivelse af smelteprocessen," siger Barba.

"Det giver os mulighed for at forudsige smeltetemperaturen af ​​forskellige materialer ved blot at overveje nogle få nøglekarakteristika ved deres atomare interaktioner, såsom styrken og rækkevidden af ​​kræfterne mellem dem."

SMELTNING AF METALLER

Forskerne testede deres teori ved at analysere smelteadfærden af ​​en række materialer, fra simple krystaller til komplekse metaller. De fandt fremragende overensstemmelse mellem deres teoretiske forudsigelser og eksperimentelle målinger.

"Vores arbejde afslører, at forskellige materialers smelteadfærd kan forstås gennem et fælles underliggende princip," siger Barba.

"Ved at låse op for dette princip får vi en mere grundlæggende forståelse af, hvorfor materialer smelter, og potentielt hvordan man manipulerer deres egenskaber."

IMPLIKATIONER OG FREMTIDIGE VEJLEDNINGER

Forskerne mener, at deres arbejde kan bane vejen for adskillige anvendelser, herunder design af nye materialer med skræddersyede smelteegenskaber til specifikke teknologiske behov.

For eksempel kunne deres resultater hjælpe med udviklingen af ​​materialer med højere smeltepunkter til brug i ekstreme miljøer, såsom rumfartskomponenter eller atomreaktorer.

Barba og hans kolleger planlægger at forfine deres teori yderligere og udvide den til at studere mere komplekse smeltefænomener, herunder blandingers adfærd og virkningerne af tryk på smeltning.

"Vores arbejde åbner nye muligheder for udforskning inden for materialevidenskab," siger Barba.

"Ved at optrevle de grundlæggende mekanismer bag smeltning er vi klar til at gøre betydelige fremskridt inden for materialedesign og konstruktion."