Hvorfor udvider galliumsilicium og vismut ved frysning?

Udvidelsen af ​​visse stoffer ved frysning er en unormal adfærd, der opstår på grund af specifikke atomarrangementer og bindingskarakteristika. I modsætning til de fleste materialer, der trækker sig sammen, når de størkner, udviser gallium, silicium og bismuth en udvidelse i volumen, når de går fra en flydende til en fast tilstand. Her er årsagerne til deres udvidelse til frysning:

Gallium:

Gallium gennemgår en unik faseovergang under størkning. Det forvandler sig fra en højtemperatur, ansigtscentreret kubisk (fcc) struktur til en lavtemperatur, ortorhombisk struktur. Denne ændring involverer en omlejring af atomerne på en måde, der resulterer i et mere løst pakket arrangement i den faste tilstand sammenlignet med den flydende tilstand. Denne stigning i atomafstand får gallium til at udvide sig, når det fryser.

Silicon:

Silicium gennemgår også en faseovergang ved frysning, svarende til gallium. Det flydende silicium med høj temperatur har en diamantkubisk struktur, mens den faste form antager en ansigtscentreret kubisk (fcc) struktur. Denne ændring i atomarrangementer skaber en mindre tæt fast struktur sammenlignet med væsken, hvilket fører til ekspansion under frysning.

Bismuth:

Bismuths udvidelse af frysning tilskrives et fænomen kaldet "krystallisering med ændring af koordinationsnummer." I flydende tilstand er bismuth-atomer arrangeret på en mere kompakt måde, hvor hvert atom danner tre kovalente bindinger med naboatomer. Ved frysning går vismut over i en romboedrisk krystalstruktur, hvor hvert atom danner fem kovalente bindinger. Denne stigning i koordinationstal kræver mere plads, hvilket resulterer i udvidelse af bismuth, når det fryser.

Disse unormale ekspansionsadfærd af gallium, silicium og bismuth har vigtige implikationer i forskellige applikationer. For eksempel gør udvidelsen af ​​gallium ved frysning det nyttigt som tætningsmiddel i højtemperaturapplikationer, såsom ventiler og pumper, hvor en perfekt tætning er påkrævet selv ved høje temperaturer. Tilsvarende udnyttes udvidelsen af ​​silicium under størkning i halvlederindustrien til at skabe belastningsinducerede modifikationer af siliciumenheders elektroniske egenskaber.

Det er værd at bemærke, at selvom gallium, silicium og bismuth er bemærkelsesværdige eksempler på stoffer, der udvider sig ved frysning, er de ikke de eneste. Nogle få andre grundstoffer og forbindelser, såsom vand og antimon, udviser også denne usædvanlige adfærd. At forstå disse ekstraordinære egenskaber er afgørende inden for forskellige områder af videnskab og teknik, herunder materialevidenskab, kemi og metallurgi.