Zebra striber, leopardpletter og andre mønstre på huden af ​​frosne metallegeringer, der trodser konventionel metallurgi

Selvom det er fascinerende, at levende væsner udvikler forskellige mønstre på deres hud, hvad der kan være endnu mere mystisk er deres slående lighed med huden på frosne flydende metaller.

Mønsterdannelse er et klassisk eksempel på et af naturens vidundere, som videnskabsmænd har overvejet i århundreder. Omkring 1952, den berømte matematiker Alan Turing (far til moderne computere) kom med en konceptuel model til at forklare mønsterdannelsesprocessen i et to-stofsystem. Sådanne mønstre kaldes også for Turing-mønstre derefter.

Mønsterdannelse er også almindeligt anvendt af menneskeskabte systemer, og dette gælder især inden for metallurgi. Det har endda et underfelt kaldet "metallografi, " som har specialiseret sig i studiet af mikroskalamønstre og sammensætninger af metaller og legeringer. Hvis du knækker en flerkomponentlegering fra hinanden og tager et kig på dens tværsnit, der er en god chance for, at du vil se skiftende striber eller justerede pletter af forskellige metalkomponenter, ligesom en mikroskopisk version af mønstrene på huden af ​​en zebra eller leopard. Imidlertid, på trods af den ældgamle viden om kernen i flydende metallegeringer og deres bulkstørkningsmønstre, deres overflademønsterdannelsesfænomen har længe været overset indtil nu.

I et værk offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi , forskere fra University of New South Wales (UNSW) Sydney og deres samarbejdspartnere fra University of Auckland (MacDiarmid Institute), RMIT, og UCLA opdagede, at forskellige typer mønstre forekommer på overfladen af ​​størknede metallegeringer. Holdet brugte to-komponent metalliske blandinger, såsom galliumbaserede legeringer indeholdende små mængder vismut. Disse legeringer smelter let i ens hånd og gør således eksperimentel observation og kontrol praktisk.

"Vi kunne observere overfladestørkningsprocessen under et almindeligt optisk mikroskop, og jeg blev forbløffet, da jeg første gang så en størkningsfront på den flydende metaloverflade skabe faste mønstre bag den, " sagde Dr. Jianbo Tang, værkets førende forfatter. "Du kan forestille dig scenen af ​​en gletsjer, der bevæger sig hen over havets overflade, men alt set under vores mikroskop er metallisk og mikroskopisk." Dr. Tang tilføjede.

For at se de finere detaljer af den metalliske gletsjer, elektronmikroskopi blev brugt, og forskerne observerede et kalejdoskop af meget ordnede mønstre, inklusive skiftende striber, buede fibre, prik arrays, og nogle eksotiske stribe-dot hybrider. Overraskende nok, holdet fandt ud af, at når disse mønstre dannes, forekomsten af ​​lavkoncentrationselementet bismuth i overfladeområdet var meget øget. Sådan overfladeberigelse fundet i denne undersøgelse trodser konventionel metallurgisk forståelse.

Forskerne relaterede magien bag dette nyligt observerede størkningsfænomen til de unikke overfladestrukturer af flydende metaller, og de brugte også supercomputere til at simulere processen. I deres computersimuleringer, de små vismutatomer, tilsyneladende bevæger sig tilfældigt rundt i et hav af galliumatomer, blev observeret at akkumulere på legeringsoverfladen.

"Dette tidligere ignorerede overfladestørkningsfænomen forbedrer vores grundlæggende forståelse af flydende metallegeringer og deres faseovergangsprocesser. denne autonome overfladeproces kan bruges som et mønsterværktøj til at designe metalliske strukturer og skabe enheder til avancerede applikationer i fremtidens elektronik og optik." sagde Prof. Kourosh Kalantar-Zadeh, en tilsvarende forfatter til undersøgelsen.