Ultrahurtige røntgenimpulser afslører, hvordan et fast stof smelter til væske

Ultrahurtige røntgenimpulser, der kun varer nogle få billioner af et sekund, har givet banebrydende indsigt i den mystiske transformation af et fast stof til en væske. Denne forskning, offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Nature Physics, afslører den skjulte dynamik og tidsskalaer, der er involveret i denne grundlæggende faseovergang.

Når et fast materiale opvarmes, begynder dets atomer at vibrere med stigende energi. Ved en bestemt temperatur, kaldet smeltepunktet, bliver vibrationerne så intense, at atomerne bryder fri fra deres faste positioner, og materialet går over i en flydende tilstand. Den nøjagtige rækkefølge af begivenheder, der opstår under denne overgang, er dog forblevet uhåndgribelig, primært på grund af de ekstremt korte tidsskalaer, der er involveret.

For at overvinde denne udfordring brugte forskere ledet af professor John Botha fra Universitetet i Hamborg i Tyskland en avanceret røntgenteknik kaldet røntgenfoton-korrelationsspektroskopi (XPCS). Ved at generere ultrahurtige røntgenimpulser og analysere de spredte røntgenstråler var de i stand til at sondere de forbigående strukturelle ændringer i en fast kobberprøve, der gennemgår et pludseligt temperaturspring.

Deres resultater viser en bemærkelsesværdig kæde af begivenheder, der udspiller sig på ultrahurtige tidsskalaer. De indledende stadier af smeltning involverer nukleering af væskedråber i det faste kobber. Disse dråber vokser hurtigt og smelter sammen, og eroderer gradvist den krystallinske orden, indtil hele materialet omdannes til en flydende tilstand.

Interessant nok fanger XPCS-teknikken ikke blot faseovergangen i bulkmaterialet, men afslører også afgørende information om adfærden nær faststof-væske-grænsefladerne. Disse grænseflader udviser unik dynamik, hvor atomer udviser både faste og væskelignende egenskaber. at forstå disse grænsefladeeffekter er afgørende for at få indsigt i forskellige områder af fysik og materialevidenskab, lige fra smeltende fænomener til krystalvækst.

Ud over implikationerne for grundlæggende videnskab har denne forskning vidtrækkende implikationer for områder som materialebehandling, metallurgi og endda biologi. For eksempel er styring af hastigheden af ​​faseovergange kritisk i fremstillingsprocesser, der involverer smeltning og størkning af materialer. Ved at optrevle den underliggende dynamik kan der opnås gennembrud inden for udvikling af forbedrede materialer med skræddersyede egenskaber, hvilket potentielt revolutionerer industrier.

Desuden, som professor Botha foreslår, kan studie af faseovergange også kaste lys over fænomener ud over fysik af kondenseret stof. Fænomener som glasovergange og endda biologiske faseovergange, observeret i komplekse systemer såsom celler, kan dele ligheder med denne grundlæggende smeltedynamik. Bestræbelsen på at forstå faseovergange, ser det ud til, rækker langt ud over fast-væske-overgangen i kobber, hvilket åbner veje for banebrydende åbenbaringer på tværs af det videnskabelige spektrum.