Flydende metaller, overflademønstre og de tre kongerigers romantik

"De længe delte, skal forene; længe forenede, skal dele. Sådan har det nogensinde været."

Åbningslinjerne i den store kinesiske historiske roman Romance of the Three Kingdoms kondenserer dens komplekse og spektakulære historier til et sammenhængende mønster, det vil sige, magtblokke deler sig og forenes cyklisk i turbulente kampår.

En god filosofi eller teorem har generelle implikationer. Nu i arbejde offentliggjort i tidsskriftet Nature Synthesis , rapporterede forskere fra Australien, New Zealand og USA om en ny type størkningsmønster, der ligner plottene i den kinesiske klassiker, men denne gang vises på overfladen af ​​størknende flydende metaller.

Holdet opløste en lille mængde metaller såsom sølv (Ag) i opløsningsmiddelmetaller med lavt smeltepunkt såsom gallium (Ga), og undersøgte, hvordan de metalliske komponenter interagerer og adskilles for at danne mønstre, når de metalliske væskeblandinger (legeringer) størkner .

Forskerne fandt ud af, at et enkelt sølv-gallium-system kan producere forskellige mønstre såsom partikler eller bundtlignende strukturer af en Ag₂ Ga-forbindelse.

Den enkelte Ag₂ Ga-strukturer, der bygger mønstrene, er små, med mikrometer eller nanometer tykkelser, ti eller hundrede gange tyndere end et menneskehår.

Mest overraskende observerede forskerne, at mønstrene deler sig og forenes på en gentagen måde. "Første gang jeg så sådanne cykliske divergerende-konvergerende mønstre, mindede det mig straks om de berømte åbningslinjer i Romance of the Three Kingdoms," sagde Dr. Jianbo Tang fra University of New South Wales (UNSW, Australien), som er undersøgelsens første forfatter.

Mønsterdannelse er et grundlæggende, men allestedsnærværende fænomen, som har interesseret og inspireret videnskabsmænd i lang tid. Nogle mønstertyper er mere almindelige end andre.

Blandt alle de forskellige mønstrende adfærd ses divergerende mønsterdannelse eller bifurkation ofte i naturen, fordi dette særlige arrangement generelt favoriserer energiomdannelse eller -fordeling. "Dvs., det er den 'nemmeste' vej," forklarer Dr. Tang. Flodnetværk, trægrene, lynveje og vaskulære systemer er alle eksempler på bifurkation.

Til sammenligning ses konvergent mønstervækst eller omvendt bifurkation sjældnere, da det er i modstrid med den energetisk gunstige bifurkation.

Den mærkelige cykliske divergerende og konvergent vækst, kaldet oscillerende bifurkation, er sjælden og er ikke blevet observeret i størkningsstrukturer før det nye publicerede arbejde.

På trods af dette observerede forskerne oscillerende bifurkationsmønstre på overfladen af ​​flere flydende legeringer efter størkning, hvilket tyder på, at denne kontraintuitive adfærd er ret generel for størkningsmønstre, der dannes på overfladen af ​​flydende metaller.

Analogt med den dramatiserede roman, hvor de turbulente kræfter mellem og inden for et stort antal magtblokke driver disse grupper til at opdele og forene sig, fandt holdet ud af, at det også er ustabiliteten af ​​den flydende metaloverflade, der ligger til grund for fremkomsten af ​​de eksotiske oscillerende bifurkationsmønstre .

"Surface pattern formation of liquid metal alloys is a new but exciting topic. The surface or interfacial nature of the process enables us to better understand and control fundamental phase transition and pattern formation." Dr. Tang added, "We will continue our work on designing crystalline surface patterns and structures using liquid metals to enable cutting-edge applications such as plasmonic sensing, high-efficiency electronics and optics, and high-precision spectroscopy."

Zebra stripes, leopard spots and other patterns on the skin of frozen metal alloys that defy conventional metallurgy