Faseovergange fører til nye avancerede materialer

Tro det eller ej, Stål har noget til fælles med bakterielle vedhæng:de kan begge gennemgå en særlig form for fysisk transformation, der forbliver forvirrende. Nu, forskere fra Japan og Kina har brugt direkte mikroskopiske observationer til at give mere klarhed over, hvordan denne transformation sker.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Naturkommunikation , forskere fra University of Tokyo Institute of Industrial Science og Fudan University Department of Physics har afsløret hidtil ukendte fysiske detaljer, der understøtter krystallinske fast-til-fast faseovergange i bløde materialer, og eventuelt hvordan forskere mere fuldt ud kan udnytte egenskaberne ved avancerede materialer.

En speciel type fast-til-fast fase overgang, kendt som en martensitisk overgang, er en spændende grænse inden for medicin, teknologi, og andre felter. Den martensitiske overgang er muliggjort af en koordineret bevægelse af atomer i et materiale, som ændrer materialets egenskaber uden at ændre dets kemiske sammensætning. Metallegeringer og proteiner kan begge gennemgå denne overgang. Forskere antager, at i let deformerbare bløde materialer, overgangen kan forekomme anderledes end dem, der observeres i hårde materialer med stabile defekter. På nuværende tidspunkt denne hypotese er svær at teste, noget forskerne sigtede mod.

"Traditionelt det har været udfordrende at mikroskopisk observere den dynamiske proces med martensitiske overgange i bløde materialer på enkeltpartikelniveau, " siger co-senior forfatter til undersøgelsen Hajime Tanaka. "Man skal udtænke et middel til at gøre det på en måde, der hurtigt sætter overgangen i gang uden skadelig forstyrrelse af systemet."

At gøre dette, forskerne brugte en skånsom teknik kendt som ionbytning – i princippet, den samme metode, der bruges til at fjerne calcium- og magnesiumioner fra vand - for hurtigt at ændre krystalstrukturen af ​​polymere mikropartikler. Man kan observere kinetikken af ​​de resulterende martensitiske overgange med et mikroskop med enkeltpartikelopløsning.

"Mikroskopiresultaterne var utvetydige, " forklarer Peng Tan, co-senior forfatter af undersøgelsen. "Vi observerede tre hidtil ukendte mekanismer, hvorved kropscentrerede kubiske bløde kolloide krystaller dannes fra ansigtscentrerede kubiske, afhængig af tilstanden."

Forskerne undersøgte egenskaberne ved disse veje - kaldet termisk aktiveret in-grain nucleation, korn-grænse-forsmeltning-assisteret nukleering, og væg-assisteret vækst - med særligt fokus på, hvordan energibarrieren for overgangen reduceres i hvert enkelt tilfælde.

"Blødheden af ​​en krystal spiller en afgørende rolle i termisk aktiveret kernedannelse i korn, " forklarer Tanaka. "Mens, de to andre veje kan forekomme selv i hårde materialer."

Disse resultater har forskellige anvendelser. For eksempel, nogle lægemidler kan ændre deres tilgængelighed i kroppen ved fast-til-fast fase overgange; derfor, Forståelse af, hvordan man kontrollerer, hvornår og hvor sådanne overgange opstår, kunne give et nyt middel til målrettet medicinafgivelse. En større forståelse af de fysiske mekanismer af fast-til-fast-transformationer understøtter udviklingen af ​​nye materialer, der kan skræddersyes til applikationer.