Na uitgebreid onderzoek, wetenschappers van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Oxford hebben experimenteel bewijs gevonden dat nieuw licht werpt op het smelten van tweedimensionale stoffen. De bevindingen van het onderzoek kunnen worden gebruikt om technologische verbeteringen aan dunnefilmmaterialen zoals grafeen te ondersteunen.

Onderzoekers van de groep van professor Roel Dullens van de scheikunde van Oxford hebben experimenteel opgehelderd hoe het smelten van een tweedimensionale vaste stof van harde bollen plaatsvindt. Met dit werk lossen ze een van de meest fundamenteel belangrijke maar nog steeds openstaande problemen in de wetenschap van de gecondenseerde materie op. In aanvulling, deze resultaten vormen de hoeksteen voor het verdere begrip en de ontwikkeling van tweedimensionale materialen.

Smeltend, de faseovergang waarin een stof van een vaste stof in een vloeistof verandert, wordt algemeen begrepen in basistermen. Maar ondanks dat je ze regelmatig tegenkomt in het dagelijks leven, (op de werkvloer, thuis of natuurlijke wereld), wetenschappers proberen het smeltproces al lang op een fundamenteel niveau te begrijpen.

Het smelten van een vaste stof in een vloeistof is een van de meest voorkomende wetenschappelijke verschijnselen. Echter, het begrijpen van deze transformatie is vooral mysterieus voor vaste stoffen in twee dimensies. Hier, de beroemde Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) theorie stelt voor dat een tussenproduct, gedeeltelijk wanordelijke toestand, genaamd de 'hexatische', bestaat tussen de vaste stof en de vloeistof. Er zijn aanzienlijke inspanningen geleverd om deze 'topologische' overgangen te begrijpen, waarvoor Kosterlitz en Thouless in 2016 de Nobelprijs voor de Natuurkunde kregen. Maar voor het eenvoudigste interagerende systeem van veel deeltjes, tweedimensionale harde bollen, er is een verbazingwekkend gebrek aan consensus, ondanks de eerste simulaties die meer dan 60 jaar geleden werden uitgevoerd.

Dr. Alice Thorneywork en collega's gebruikten optische microscopie om monolagen van colloïdale modelharde bollen te bestuderen (zie kader 2) die onder een kleine hoek waren gekanteld om een ​​gradiënt in de deeltjesconcentratie te introduceren. Voor harde bollen, het gedrag wordt alleen bepaald door deze concentratie, waardoor ze de vloeistof konden identificeren en karakteriseren, hexatisch, en vaste toestanden en de aard van de overgangen daartussen in een enkel experiment. De resultaten laten zien dat het smelten plaatsvindt via een continue vast-hexatische overgang gevolgd door een eerste-orde hexatisch-vloeistofovergang.