Eksperimentel undersøgelse af, hvordan metalglas former, udfordrer paradigme inden for glasforskning

Medmindre du tilfældigvis er en materialeforsker, hvilket de fleste af os trods alt ikke er, udtrykket 'briller' tænker sandsynligvis på ting som vinduesruder, drikkeglas eller briller. Næppe nogen vil tænke på metaller. Men metalliske briller, eller 'amorfe metaller', som de også kaldes, spiller en stadig vigtigere rolle i både videnskabelig forskning og teknologi.

Når metalsmelter afkøles så hurtigt, at de størkner inden for en brøkdel af et sekund, de forbliver kaotiske og uordnede på atomniveau. Havde de været langsomt afkølet, atomerne ville have haft tid til at omarrangere og danne en ordnet krystalgitterstruktur, men meget hurtig afkøling betyder, at atomerne i den uordnede væskesmeltning ikke har tilstrækkelig tid til at omarrangere og i det væsentlige er frosset på plads. Denne atomforstyrrelse giver disse 'ikke-ligevægts'-metalliske brilleegenskaber, der er ganske forskellige fra dem i den ordnede krystallinske legering, der ville dannes, når de samme bestanddele gennemgår mere konventionel langsommere afkøling. Metalliske glas kan være lige så stærke som stål, mens de har elastisiteten af ​​en polymer.

De fleste materialer i universet er amorfe, hvilket betyder, at de er kaotiske og uorganiserede og mangler den rækkefølge, der findes i krystallinske faste stoffer. Selv vand, som i sin frosne tilstand har en regelmæssig krystalstruktur her på Jorden, er glasagtig eller amorf i det bredere univers, såsom vandet, der findes i kometer ved temperaturer under -150 ° C. Set fra et videnskabeligt perspektiv, overgangen fra den flydende tilstand til den amorfe faste tilstand er af grundlæggende interesse.

"Hvad der egentlig foregår under forglasning, er stadig ikke rigtig godt forstået, "siger Isabella Gallino. Arbejder med kolleger fra Spanien (Dr. Daniele Cangialosi, Dr. Xavier Monnier), Frankrig (Dr. Beatrice Ruta) og Tyskland (professor Ralf Busch, også fra Saarland Universitet), Dr. Gallino har studeret i hidtil uset detalje, hvad der sker på atomniveau, når en metastabil flydende legering vitrifierer for at danne et solidt glas.

Ved hjælp af ekstremt lyse og sammenhængende røntgenstråler genereret på European Synchrotron Research Facility i Grenoble, Gallino og hendes kolleger studerede de atomare omlægninger, der forekommer i en speciel guldlegering, da den blev afkølet fra omkring 150 ° C (flydende tilstand) til omkring 115 ° C (frosset, glasagtig tilstand). Ved hjælp af denne teknik, forskergruppen var i stand til at observere, hvordan atomernes bevægelse faldt, da materialet frøs. Selve fryseprocessen blev også undersøgt ved hjælp af et nyt flashkalorimeter - et hurtigt scannende kalorimeter, der gør det muligt at opnå ekstremt høje varme- og kølehastigheder. Tidligere har ingen havde været i stand til at observere, hvad der skete i forglasningsområdet med dette niveau af præcision.

"Indtil nu, ingen havde haft succes med at foretage disse observationer på tværs af en så bred vifte af varme- og kølehastigheder, "forklarer Isabella Gallino, der i øjeblikket arbejder på sin Habilitering, en avanceret forskningsgrad, der giver indehaveren ret til at undervise på professorniveau i Tyskland. Ti år siden, undersøgelser af denne type var simpelthen ikke mulige af tekniske årsager. På det tidspunkt, forskere havde ikke mulighed for at udsætte disse materialer for ekstremt lyse synkrotron røntgenstråler, de havde heller ikke adgang til de hurtige scanningskalorimetre, der gør det muligt at registrere faseovergange og andre transformationer ved temperaturhastigheder på op til 100, 000 grader i sekundet. I dag, begge disse muligheder er tilgængelige, og Isabella Gallino og hendes kolleger har gjort god brug af dem.

I deres forskningsartikel offentliggjort i de respekterede, fagfællebedømt journal Videnskab fremskridt , teamet viste, at deres resultater udfordrede et tidligere accepteret paradigme for materialevidenskabelig forskning. "Indtil nu, konventionel visdom fastslog, at den hastighed, hvormed væsken fryser, er den samme som den såkaldte alfa-afslapningshastighed, dvs. den hastighed, hvormed atomernes primære mobilitet falder, når temperaturen sænkes, "forklarer Dr. Gallino." Men denne en-til-en-sammenhæng er ikke det, vi rent faktisk observerer. "

"Det er fordi smelten består af atomer af forskellige slags og af meget forskellige størrelser. Når de store atomer, som guld, har allerede frosset og er i det væsentlige immobile, de mindre atomer, som silicium, kan stadig bevæge sig rundt og "joggle" sig til deres energisk foretrukne positioner, "siger Isabella Gallino. På grund af denne kollektive strøm af de mindre atomer, der er stadig global mobilitet inden for materialet, som fortsat opfører sig som en væske. Det er først, når de mindre atomer endelig fryser, at væsken størkner fuldstændigt til et glas.

Dette fundamentale nye fund af Isabella Gallino og hendes forskningskolleger har konsekvenser for den globale forskning, der udføres i amorfe metaller og andre glasdannende materialer, såsom polymerer og ioniske væsker. Forbedret forståelse af forglasningsprocessen vil ikke kun lette oprettelsen af ​​nye specialiserede materialer i fremtiden, men vil give os større indsigt i opførelsen af ​​eksisterende amorfe materialer.