(Phys.org)—Faseovergangen zijn transformaties die plaatsvinden tussen toestanden van materie, dat wil zeggen, tussen solide, vloeistof, gas, en minder vaak tussen gas en plasma. Wat misschien verrassend is, is dat vaste-vaste faseovergangen, die essentieel zijn in de metallurgie, keramiek, aardwetenschappen, herconfigureerbare materialen, en colloïdale materie, zijn de meest gemeenschappelijk. (Voorbeelden van vaste-vaste faseovergangen omvatten transformaties tussen de drie primaire kristallijne toestanden van zuiver ijzer en zelforganiserende anisotrope colloïdale suspensies, dat wil zeggen, colloïdale suspensies met verschillende eigenschappen langs verschillende assen.) Ondanks hun alomtegenwoordigheid, echter, hoge druk en / of hoge temperatuurcontexten en de noodzaak om beeldvormingstechnologie met hoge resolutie te gebruiken, hebben het bestuderen van intermediaire transformationele toestanden van vaste-vaste faseovergang aanzienlijk uitdagend gemaakt. Onlangs, wetenschappers van de Universiteit van Michigan hebben computermodellen ontworpen die vaste-vaste fase-overgangen demonstreren op basis van colloïdale deeltjesvormveranderingen als de controlevariabele, rapportage van zowel discontinue als continue overgangen (d.w.z. degenen die wel en geen thermische activering vereisen, respectievelijk). De onderzoekers stellen dat door een nieuwe methode te ontwikkelen voor het bestuderen van vaste-vaste faseovergangen, hun modellen kunnen het ontwerp en de generatie van herconfigureerbare colloïdale materialen ondersteunen.

Promovendus Chrisy Xiyu Du en prof.dr. Greg van Anders bespraken het paper dat zij, Dr. Richmond S. Newman, en prof. Sharon C. Glotzer, en hun co-auteurs gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences met Phys.org . De belangrijkste uitdagingen beschrijven bij het ontwerpen van modellen die de thermodynamica van de overgang tussen vaste en vaste fase vastleggen en bepalen dat een thermische activeringsbarrière niet universeel vereist is in overgangen tussen vaste en vaste stoffen, van Anders vertelt Phys.org dat "Solide-solide overgangen al duizenden jaren belangrijk zijn in technologie - in feite, sinds het begin van de ijzertijd - en zijn ook belangrijk in geologische processen. Bovendien, " hij voegt toe, "Het patroon van symmetriebreking dat bestaat in vaste stoffen betekent dat deze overgangen niet alleen technologisch belangrijk zijn, maar dat het er veel zijn. Het probleem bij het begrijpen van de overgangen is dat ze meestal plaatsvinden onder extreme omstandigheden (hoge temperatuur of druk), waardoor ze moeilijk te studeren zijn."

Voorafgaand aan hun studie Du zegt, geen ander artikel heeft een grondig onderzoek gedaan naar de thermodynamica voor colloïdale vaste-vaste overgangen. "Deze leegte in kennis betekende dat, ongeacht de resultaten die we vonden, we moesten voldoende validatie uitvoeren om onszelf ervan te overtuigen dat we geen artefacten uit onze simulaties observeerden." Ze voegt eraan toe dat anisotrope colloïdale nanodeeltjes perfecte bouwstenen zijn voor zelfassemblage van kristalstructuren - en onderzoekers zijn experimenteel in staat geweest om deze nanodeeltjes zelf te assembleren tot colloïdale kristalstructuren, variërend van de basis en alomtegenwoordige face-centered kubische fase tot gecompliceerde fasen zoals clathraten.

Een andere uitdaging was het vinden van orderparameters met het juiste signaal-naar-ruisgedrag - een bijzondere zorg, van Anders wijst erop, omdat de systemen die ze bestudeerden entropisch gestabiliseerd zijn (dat wil zeggen, thermische fluctuaties zijn fundamenteel betrokken bij het systeemgedrag, maar kan de metingen van de orderparameter bemoeilijken). "Het balanceren van deze effecten en het controleren of het gedrag dat we observeerden geen artefact was van onze parametrisering vergde aanzienlijke inspanningen."

Du merkt op dat hoewel het bestuderen van de thermodynamica van twee stabiele fasen afzonderlijk eenvoudig is, gelijktijdige vergelijkingen zijn moeilijk. "Vanwege het korte tijdschema en de lage waarschijnlijkheid dat het systeem zich in een overgangstoestand bevindt, we moesten biaskrachten toepassen om het te bestuderen. Naast het vinden van de juiste volgordeparameter om verschillende kristalfasen te onderscheiden - een uitdaging op zich - hebben we zorgvuldig de sterkte van de bemonsteringsintervallen van de biaskracht afgestemd om ruis te verminderen, waardoor een statistisch significante conclusie wordt bereikt."

Door deze uitdagingen aan te gaan, van Anders legt uit, betrokken meten van de verandering in de naaste omgeving voor deeltjes voor en na de overgang, die meestal wordt gekenmerkt met behulp van coördinatie veelvlakken die zorgen voor een geometrische indeling van de lokale omgevingen. "We realiseerden ons dat als we systemen konden bedenken waarin het mogelijk is om de coördinatieveelvlakken direct te manipuleren, het zou mogelijk kunnen zijn om solide-solid-overgangen te hebben die optreden onder minder extreme omstandigheden. Om dit te doen, we realiseerden ons dat het in suspensies van anisotroop gevormde colloïdale nanodeeltjes mogelijk is om de deeltjesvorm te manipuleren, die op zijn beurt controle over de vorm van de coördinatieveelvlakken in het kristal mogelijk zou kunnen maken." Veranderende colloïde vorm zorgt voor vaste-vaste overgangen in simulaties die normale laboratoriumomstandigheden nabootsen.

Du beschrijft twee belangrijke, eerdere inzichten gebruikt in dit werk:entropie kan leiden tot orde, en deeltjesvormen kunnen worden opgenomen als een thermodynamische variabele vergelijkbaar met temperatuur of druk. "In ons werk we combineerden deze twee inzichten en breidden de studie van vaste-vaste faseovergangen uit met bouwsteeneigenschappen zoals vorm. Wat betreft technische problemen, we hebben de literatuur doorzocht om een ​​goede ordeparameter te selecteren om verschillende kristalstructuren te onderscheiden, en vervolgens aangepast aan onze behoeften." De wetenschappers breidden ook het NVT (of canonieke) statistische ensemble uit - een constante temperatuur, ensemble met constant volume - in HOOMD-blauw (een toolkit voor deeltjessimulatie voor algemeen gebruik) om ruis in hun simulaties beter te verminderen.

"Ons werk heeft twee reeksen implicaties, " van Anders vertelt Phys.org . "Ten eerste, we hebben laten zien dat het eenvoudig is om minimale modellen van solide-solid-overgangen te construeren die voorkomen in systemen die in realtime kunnen worden bestudeerd, eenvoudig, tafelblad experimenten met behulp van optische microscopie. Dit zou ons nieuwe manieren moeten bieden om gedetailleerd inzicht te krijgen in hoe solide-solide transities plaatsvinden. Ten tweede, we hebben aangetoond dat solide-vaste overgangen, aangedreven door vormverandering, plaatsvinden op voldoende korte tijdschalen, waardoor ze kunnen worden gebruikt voor het maken van herconfigureerbare materialen."

Du vertelt Phys.org dat in sommige gevallen met de juiste vormverandering, het is mogelijk om vast-vast-overgangen te vinden die optreden op Monte Carlo-simulatietijdschalen die vergelijkbaar zijn met of korter zijn dan tijdschalen voor zelfassemblage van de relevante vaste fase uit een dichte, verstoorde vloeistof. Deze vonst, Du voegt eraan toe, geeft verder bewijs dat colloïdale materie een potentiële route biedt voor het ontwikkelen van herconfigureerbare materialen. "Met de recente ontwikkeling van vormveranderende colloïdale materialen, ons werk kan een goede theoretische gids zijn voor experimentatoren:wanneer ze vormveranderende deeltjes proberen te gebruiken om herconfigureerbare materialen te maken, ons werk kan mogelijk een deel van het fasegedrag verklaren dat ze kunnen waarnemen."

"Onze resultaten bieden ook ontwerpcriteria voor het selecteren van deeltjesvormen en hun transformaties voor het bereiken van een soepele versus abrupte herconfiguratie, afhankelijk van de beoogde toepassing, " voegt senior auteur prof. Sharon Glotzer toe. "Bovendien - en zelfs nog spannender - begrijpen we nu hoe we deeltjesvormen omgekeerd kunnen ontwerpen voor specifieke, gerichte solide-solid overgangen."

Wat de volgende stappen betreft, de onderzoekers zijn van plan andere soorten overgangen te begrijpen dan degene die in dit artikel worden vermeld. Wat betreft andere onderzoeksgebieden die baat kunnen hebben bij hun studie, van Anders zegt dat mogelijke toepassingen de ontwikkeling van herconfigureerbare materialen, en meer inzicht in solide-solid overgangen in atomaire systemen.

"De focus van ons werk lag op het verkrijgen van gedetailleerd begrip van de thermodynamica van de overgangen die we bestudeerden, besluit van Anders. "Vooruitgaand, de mogelijkheid om vormgestuurde solide-solid-overgangen te bestuderen met optische microscopie opent de mogelijkheid om zeer gedetailleerd te worden, informatie op deeltjesniveau over transformatiekinetiek."

© 2017 Fys.org