Forskere opdager spontan fortætning af faste metal-flydende metal-grænseflader i kolloide binære legeringer

På trods af den allestedsnærværende af flydende metal-legeringsprocessen er der overraskende lidt kendt om processens afgørende overfladekemi på grund af det flydende metalbads uigennemsigtige natur.

For at løse denne udfordring afbildede teamet på RMIT direkte overfladefænomenerne i gallium-kobbermassen ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop (TEM), som tillader penetrering af det flydende metalbad og opløsninger ned til en nanometerskala.

I denne skala kan overfladen af ​​den faste legering ses at svinge mellem fast og flydende fase med en hastighed på flere gange pr. sekund og til en dybde på omkring 10 nm, eller 50 til 100 atomer.

"Denne fluktuation af den faste metaloverflade mellem faste og flydende faser var fuldstændig uventet," siger hovedforfatter Caiden Parker, "fordi hele systemet blev holdt tæt på stuetemperaturforhold."

"Det flydende galliumhav var over 200°C koldere end Cu-Ga-legeringens smeltepunkt. Der ville ikke have været nogen mulig grund til, at dets overflade blev ved med at vende tilbage til flydende form," siger Caiden, som er en FLÅDEPh. D. kandidat hos RMIT.

I videoen kan den krystallinske Cu-Ga-legering identificeres fra den regulære gitterstruktur, der fremstår som diagonale striber. Det omgivende grå område er flydende gallium og ikke tomt rum.

Escape and recapture:Et molekylært billede af den fluktuerende grænse

"De ydre lag af en solid metallegering er overraskende ustabile, når de placeres inde i et flydende metalmiljø, i en dybde på adskillige nanometer, og de svinger mellem krystallinsk og flydende tilstand," siger teamleder og korresponderende forfatter prof Torben Daeneke (også ved RMIT) .

Denne krystalgrænsefladesmeltning observeres ved bemærkelsesværdigt lave temperaturer (200°C under det faste stofs smeltepunkt), hvilket adskiller det observerede likvefaktionsfænomen fra andre processer såsom overfladeforsmeltning eller konventionel bulksmeltning.

Den meget ustabile krystalgrænseflade er observeret i en række binære legeringssystemer, og som sådan kan resultaterne påvirke forståelsen af ​​krystallisations- og størkningsprocesser i metalliske systemer og legeringer mere generelt.

Krystalstrukturen indeholder både "opløste" metalatomer (dvs. kobber) og "opløsningsmiddel" metalatomer (gallium) og danner således en forbindelse (CuGa₂ ). Overfladevæskeprocessen begynder med at miste nogle af opløsningsmiddelmetalatomerne tilbage i den omgivende væske.

Forskerne udførte molekylær dynamisk modellering for at forstå den observerede overfladefluidisering.

Modelleringen afslører, at ved væske-fast overflade vil nogle opløsningsmiddel (gallium) atomer undslippe den faste struktur, fordi denne flugt energimæssigt svarer til at blive på plads, dvs. en andel af overflade Ga-atomer har tilstrækkelig energi til at undslippe krystalgitteret .

Denne "flugt" af atomer skaber en tomhed ved overfladen, hvilket i sidste ende skaber en ustabilitet, der fører til gitterkollaps, hvilket får væske-faststof-grænsen til at trække sig tilbage indad, ind i det faste stof.

Efter dette bliver væsken overmættet i det opløste stof (kobber), hvilket tvinger den omgivende væske til at binde sig til krystalgitteret igen. Dette får væske-faststofgrænsen til at bevæge sig udad igen, tilbage i væsken.

Resultatet er, at grænsen mellem væske og fast stof svinger frem og tilbage inden for et tidsrum på cirka et halvt sekund.

I videoen af ​​den molekylære model er galliumatomer repræsenteret i to farver:Grå kugler repræsenterer galliumatomer, der begynder den modellerede periode, der er bundet i CuGa₂ krystalgitter. Mørkegrå kugler repræsenterer galliumatomer, der begynder den modellerede periode som at bevæge sig frit i det omgivende flydende hav.

Videoen viser en brøkdel af et nanosekund under den første fase af processen, når grænsen skifter indad, når krystalbundne atomer undslipper for at slutte sig til den omgivende væske.

Mens modellen kører, undslipper grå atomer (dvs. oprindeligt bundne galliumatomer) krystalgitteret for at flyde ud i et hav af mørkegrå (det omgivende flydende gallium). Efter et kort stykke tid (et par hundrede picosekunder) begynder de lilla atomer (dvs. kobberatomer) også at løsne sig fra gitteret.

Muligheder for yderligere forskning og spændende fremtidige applikationer

"Vi håber, at denne opdagelse vil åbne en ny forståelse af, hvordan metaller opfører sig, for at skabe nye forskningsmuligheder, anvendelse i nye legeringsprocesser, lodninger og forbedrede additive fremstillingsprocesser (3D-print).

Krystallisation af legeringer fra en smeltet tilstand er en fundamental metallurgisk proces, og forfatterne mener, at faststof-væske-fluktuationen af ​​krystaloverfladen vil forekomme, hver gang krystallisation finder sted.

"Derfor er det så spændende", siger Torben. "Legeringsprocessen er så udbredt og så vigtig for at skabe de materialer, der understøtter moderne industri, men ingen vidste, at dette skete. Nu hvor vi har opdaget, at denne udsving sker på overfladen af ​​faste legeringer, mens de dannes, har andre metalkemiforskere vil gerne udforske dette yderligere."

Og med en yderligere forbedret grundlæggende forståelse af processen med legeringskrystallisering, er det højst sandsynligt, at dette nyopdagede fænomen vil finde en anvendelse.

Processen med størkning i syntesen af ​​metallegeringer er afgørende og dikterer de endelige fysiske, kemiske og mekaniske egenskaber, alle dybt påvirket af den endelige krystallinske struktur, størrelse og form.

"Vi kan endnu ikke vide, hvilke applikationer dette i sidste ende kan føre til," siger Caiden. "Vi ved ikke, om nogen vil bruge denne nye forståelse til at syntetisere forbedrede legeringer eller til at reducere energiforbruget ved fremstilling af legeringer, eller hvem ved hvad."

Flere oplysninger: Caiden J. Parker et al., Spontaneous Liquefaction of Solid Metal-Liquid Metal Interfaces in Colloidal Binary Alloys, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202400147

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af FLEET