Een team onder leiding van Caltech heeft onlangs een decennia oud materiaalwetenschappelijk mysterie opgelost door de oorsprong van entropie in metalen glazen op te sporen.

Typisch, atomen in de meeste materialen rangschikken zich in stabiele herhaalbare patronen langs een raster, het vormen van wat in het algemeen kristallen worden genoemd. Daarentegen, metalen glazen zijn metalen die zijn opgewarmd tot ze vloeibaar worden, en vervolgens zo snel afgekoeld dat ze geen tijd hebben om te kristalliseren voordat ze stollen. In plaats daarvan, ze hebben een amorfe, vloeistofachtige structuur op atomair niveau die hen unieke fysieke eigenschappen geeft.

Een hardnekkig mysterie over metalen glazen doet zich voor bij de zogenaamde "glasovergang". Een koud metaalglas is hard en broos, maar wanneer het tot voorbij een bepaald punt wordt verwarmd - de glasovergang - wordt het zacht.

Bij de glasovergang wetenschappers hebben een plotselinge toename van entropie opgemerkt in het materiaal dat wordt verwarmd. In de thermodynamica, entropie is de hoeveelheid energie in een systeem die niet beschikbaar is om werk te doen - die is gekoppeld aan de hoeveelheid willekeur in een systeem. Wat betreft faseovergangen, stel je voor dat ijs in water smelt. Wanneer watermoleculen zijn opgesloten in de kristallijne structuur van ijs, ze bevinden zich in een energiezuinige toestand met redelijk voorspelbare locaties. Als dat ijs in een vloeistof smelt, die watermoleculen kunnen in bijna elke positie stromen, dat is een toename van de willekeur - de entropie - van het systeem.

"De oorsprong van de enorme entropie van het glas en de vloeistof in vergelijking met het kristal is besproken in de wetenschappelijke literatuur sinds metalen glazen werden ontdekt bij Caltech in 1960, " zegt Hillary Smith van Caltech (MS '10, doctoraat '14), hoofdauteur van een recent artikel over entropie in metalen glazen dat werd gepubliceerd in Natuurfysica . Smith is een onderzoeker in het lab van Brent Fultz, Barbara en Stanley R. Rawn, jr., Hoogleraar Materials Science and Applied Physics bij de afdeling Engineering and Applied Science van Caltech, en een co-auteur van het papier.

Het team richtte zich op het onderscheid maken tussen de hoeveelheid "configuratie-entropie" en "vibratie-entropie" - de twee belangrijkste bronnen van entropie in de meeste materialen - in metalen glazen.

Stel je voor dat je een zak munten op een tafelblad gooit, en vervolgens optellen hoeveel heads-up versus tails-up zijn geland. Het is mogelijk om alle koppen of alle staarten te krijgen, maar het is statistisch gezien waarschijnlijker dat het ongeveer halve kop en halve munt krijgt, omdat er meer manieren zijn waarop de munten zichzelf kunnen rangschikken in een half-en-half configuratie dan in een configuratie met alle hoofden. In de thermodynamica, men zou zeggen dat de half-kop/half-staart-opstelling een hogere configuratie-entropie heeft.

Echter, atomen (in tegenstelling tot munten) zitten niet stil, maar trillen liever rond in hun positie. De hoeveelheid van deze vibrationele entropie wordt bepaald, gedeeltelijk, door de stijfheid van de structuur die de atomen op hun plaats houdt.

"Door nauwkeurig de hoeveelheid van deze warmte te meten die afkomstig is van de configuraties van atomen en de hoeveelheid die afkomstig is van de trillingen van atomen, we konden deze controverse voor metalen glazen laten rusten, "zegt Smit.

Het team evalueerde eerst de vibrationele entropie van metalen in zowel glas- als kristalvorm. Om dit te doen, ze gebruikten intense neutronenstralen in het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee om elk materiaal te bombarderen, elk monster als een bel laten rinkelen en meten hoe het reageerde. Ze maten ook de totale entropie van het glas en kristal met behulp van een techniek die calorimetrie wordt genoemd.

"Het meten van de hoeveelheid entropie die afkomstig is van de trillingen van de atomen in een glas was tien jaar geleden niet mogelijk, Smith zegt. "Het is alleen dankzij de ongelooflijk intense neutronenstralen die beschikbaar zijn in Oak Ridge dat we dit experiment konden doen. Eindelijk, we vonden het ontbrekende stuk bij het valideren van een veelbesproken theorie die nog nooit was getest."

Ze ontdekten dat hoewel de totale entropie in het glas veel groter is dan in het kristal, hun vibrationele entropieën zijn bijna identiek. Dit geeft aan dat de entropie in de glasstructuur bijna uitsluitend voortkomt uit hoe de atomen zich rangschikken; dat is, van de configuratie-entropie.

Volgende, het team is van plan om andere soorten brillen te onderzoeken om te bepalen of het resultaat universeel is voor alle brillen.