Faseovergangen omringen ons, bijvoorbeeld vloeibaar water verandert in ijs als het bevroren is en in stoom als het wordt gekookt. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Carnegie Institution for Science hebben een nieuw fenomeen ontdekt van de zogenaamde metastabiliteit in een vloeibare fase. Een metastabiele vloeistof is niet helemaal stabiel. Deze toestand is gebruikelijk in onderkoelde vloeistoffen, dat zijn vloeistoffen die afkoelen tot onder het vriespunt zonder in een vaste stof of kristal te veranderen. Nutsvoorzieningen, wetenschappers rapporteren het eerste experimentele bewijs van het creëren van een metastabiele vloeistof rechtstreeks door de tegenovergestelde benadering:het smelten van een hogedrukvast kristal van het metaalbismut via een decompressieproces onder het smeltpunt.

De resultaten, meldde op 23 januari 2017, probleem van Natuurcommunicatie , kan belangrijk zijn voor het ontwikkelen van nieuwe materialen en voor het begrijpen van de dynamiek van planetaire interieurs, zoals aardbevingen, omdat een metastabiele vloeistof als smeermiddel zou kunnen werken en de dynamiek van het binnenste van de aarde sterk zou beïnvloeden.

"Faseovergangen zijn er in twee basissmaken, '" legde Carnegie co-auteur Guoyin Shen uit, directeur van het High-Pressure Collaborative Access Team bij de Advanced Photon Source. "Bij een soort de chemische bindingen breken niet als het materiaal van de ene fase naar de andere gaat. Maar ze veranderen wel op een ordelijke manier in oriëntatie en lengte. De andere, reconstructieve faseovergang genoemd, is chaotischer, maar de meest voorkomende in de natuur en de focus van deze studie. Bij deze overgangen delen van de chemische bindingen worden verbroken en de structuur verandert aanzienlijk wanneer het een nieuwe fase ingaat."

Druk kan worden gebruikt om de fase van een materiaal te veranderen naast verwarming en koeling. De wetenschappers stopten een vorm van kristallijn bismut in een drukopwekkende diamanten aambeeldcel, en onderwierp het aan drukken en decompressie variërend van 32, 000 keer atmosferische druk (3,2 GPa) tot 12, 000 atmosfeer (1,2 GPa) bij een temperatuur van 420° F (489 K). Alleen onder decompressie, om ongeveer 23, 000 sferen, bismut smelt in een vloeistof. Toen om 12 uur 000 atmosfeer herkristalliseert het.

"De rijkdom aan kristallijne structuur van bismut is bijzonder nuttig om veranderingen in de structuur van een materiaal waar te nemen, " merkte hoofdauteur Chuanlong Lin op.

De onderzoekers brachten de veranderingen in beeld met behulp van een techniek genaamd röntgendiffractie, die röntgenstralen met veel hogere energie gebruikt dan die we gebruiken voor medische beeldvorming en daarom structuur op atomair niveau kan onderscheiden. Ze voerden vijf verschillende compressie-/decompressieronden van experimenten uit.

"Het bismut vertoonde een metastabiele vloeistof in het proces van overgangen tussen vaste en vaste fase onder decompressie op ongeveer 23, 000 tot 15, 000 sferen, ' zei Lin.

De wetenschappers ontdekten ook dat de metastabiele toestand onder statische omstandigheden uren onder het smeltpunt kan blijven. interessant, de metastabiele vloeistof geproduceerd door decompressie vond plaats in een druk-temperatuurbereik dat vergelijkbaar is met waar onderkoeld bismut wordt geproduceerd.

"Omdat reconstructieve faseovergangen het meest fundamentele type zijn, dit onderzoek biedt een geheel nieuwe manier om te begrijpen hoe verschillende materialen veranderen, " Shen zei. "Het is mogelijk dat andere materialen een vergelijkbare metastabiele vloeistof kunnen vertonen wanneer ze reconstructieve overgangen ondergaan en dat dit fenomeen vaker voorkomt dan we dachten. De resultaten zullen de komende jaren ongetwijfeld leiden tot talloze verrassingen in zowel de materiaalkunde als de planetaire wetenschap."