At sætte smeltet historie på kortet

Ved temperaturer så varme som solen og under tryk over en million gange atmosfærisk tryk, metallet molybdæn smelter. Sporing af metallets smeltede historie afklarede smeltepunktet, grænsen mellem fast og flydende fase. For at spore smelteprocessen, et hold fokuserede en røntgenstråle ind i de snævre rammer mellem to ultra-hårde diamant mikro-ambolte. En laser opvarmede det lille volumen. Røntgenstrålen tillod sporing af fine træk, der entydigt dannede sig af det smeltede metal og var en klar indikation af, at smeltning havde fundet sted.

Karakterisering af højtrykssmeltning blev brugt til at kortlægge det vigtige område af temperaturerne og trykket lige før et fast metal smelter til at blive en væskepøl. Målinger ved ekstreme temperaturer og tryk blev muliggjort ved hjælp af en miniature diamantcelle og en laser. Denne nye røntgenspredningsmetode muliggjorde et mere nøjagtigt fasekort. Det løste forskelle mellem modeller og tidligere eksperimenter, og afslørede også en ny fase.

Den pålidelige påvisning af materialers smeltepunkt ved højt tryk har været eksperimentelt vanskelig. Det, der er nødvendigt, er en måde at fortælle, om en prøve er fast eller flydende inden for rammerne af en lille højtrykscelle. Med denne nye metode, kontrolleret laseropvarmning og hurtig afkøling skabte en målbar strukturel signatur, der mærkede et materiales tur ind i den smeltede tilstand.

I forskningen, et hold lagde en lille prøve af molybdænmetal i klem mellem miniature diamantambolte. De pressede metallet til ekstreme tryk:over en million gange Jordens atmosfæriske tryk. De brugte infrarøde laserstråler til at opvarme prøvevolumenet til ekstreme temperaturer op til det på solens overflade. På samme tid, en lys højfokuseret røntgenstråle genererede diffraktionsmønstre. Disse mønstre er følsomme over for metallets mikrokrystallinske tilstand. Forskere fandt ud af, at fordelingen af ​​de oprindelige krystallinske kornstørrelser voksede til større diametre efter indledende opvarmning.

Når prøven smeltede, kornene forsvandt. Og, efter hurtig afkøling, væsken omkrystalliserede med meget mindre korn. Disse vurderinger kan bruges til at besvare spørgsmålet, selv efter kendsgerningen, af, om en bestemt temperaturudflugt fik metallet til at smelte. Strukturændringerne er nye, mere pålideligt kriterium for at udforske fasekortet ved ekstremt tryk og temperatur. Denne nye tilgang forbedrede nøjagtigheden af ​​molybdænfasekortet og fjernede uoverensstemmelser mellem teori og mindre nøjagtige målinger i den videnskabelige litteratur.

Også, undersøgelsen af ​​mikrostrukturen tæt på, men under smeltepunktet, afslørede en ny fase med stærkt struktureret omarrangering af fine kerner. Det ligner den strukturerede struktur, der findes efter aflejring af metalfilm på et substrat ved dampkondensation. At lære at manipulere disse mikrostrukturer har konsekvenser for et væld af højtemperaturapplikationer, herunder mekaniske egenskaber af materialer i motorer og våben.