Als je een vast materiaal voldoende verwarmt, de thermische energie (latente warmte) zorgt ervoor dat de moleculen van het materiaal uit elkaar beginnen te vallen, een vloeistof vormen. Een van de meest bekende voorbeelden van deze faseovergang van een goed geordende vaste naar een minder geordende vloeibare toestand is dat ijs in water verandert.

Hoewel smelten een fundamenteel proces van materie is, wetenschappers hebben niet volledig kunnen begrijpen hoe het werkt op microscopisch niveau, vanwege het gebrek aan onderzoekscapaciteiten met voldoende tijdsresolutie. Echter, de komst van röntgenvrije-elektronenlasers (XFEL's) in het afgelopen decennium maakt de studie van het mechanisme van smelten, evenals andere ultrasnelle dynamiek op atomaire schaal, mogelijk. Deze instrumenten gebruiken vrije (ongebonden) elektronen om femtoseconde (een quadriljoenste van een seconde) lichtpulsen te genereren in het röntgenenergiegebied. Vergeleken met röntgensynchrotrons, XFEL's hebben röntgenpulsen met een veel kortere duur en een hogere intensiteit.

Nutsvoorzieningen, een team van internationale wetenschappers heeft een van deze instrumenten gebruikt - het Pohang Accelerator Laboratory XFEL (PAL-XFEL) in Zuid-Korea - om het smelten van nanometer-dikke goudfilms te volgen die bestaan ​​uit een groot aantal zeer kleine kristallen die in verschillende richtingen zijn georiënteerd. Ze gebruikten een ultrakorte röntgenpuls ("sonde") om de structurele veranderingen te volgen na de excitatie van deze polykristallijne gouden dunne films door een femtoseconde laser ("pomp"), die smelten veroorzaakt. Wanneer de röntgenpuls het goud raakt, de röntgenstraal wordt afgebogen in een patroon dat kenmerkend is voor de kristalstructuur van het materiaal. Door röntgendiffractiebeelden te verzamelen met verschillende pompsonde-tijdvertragingen op picoseconde (een biljoenste van een seconde) schalen, ze waren in staat om "snapshots" te maken toen het smelten begon en vorderde in de dunne gouden films. Veranderingen in de diffractiepatronen in de loop van de tijd onthulden de dynamiek van kristalwanorde. De wetenschappers selecteerden goud voor deze studie omdat het röntgenstralen zeer sterk buigt en een goed gedefinieerde overgang van vast naar vloeibaar heeft.

De röntgendiffractiepatronen onthulden dat smelten inhomogeen (niet-uniform) is. In een artikel dat online is gepubliceerd in het nummer van 17 januari van wetenschappelijke vooruitgang , wetenschappers stelden voor dat dit smelten waarschijnlijk ontstaat op de grensvlakken waar kristallen met verschillende oriëntaties elkaar ontmoeten (onvolkomenheden die korrelgrenzen worden genoemd) en zich vervolgens voortplant in de kleine kristallijne gebieden (korrels). Met andere woorden, de korrelgrenzen beginnen te smelten voordat de rest van het kristal.

"Wetenschappers geloofden dat smelten in polykristallijne materialen bij voorkeur plaatsvindt op oppervlakken en grensvlakken, maar vóór XFEL was de voortgang van het smelten als functie van de tijd onbekend, " zei co-corresponderende auteur Ian Robinson, leider van de X-ray Scattering Group in de afdeling Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). "Het was bekend dat de laser "hete" (energetische) elektronen genereert, die smelten veroorzaken wanneer ze hun energie overdragen aan het kristal. Het idee dat dit proces van energieoverdracht bij voorkeur plaatsvindt aan de korrelgrenzen en dus niet uniform is, is tot nu toe nooit geopperd."

"Het mechanisme van laser-geïnduceerd smelten is belangrijk om te overwegen voor microbewerking van precisieonderdelen die worden gebruikt in de ruimtevaart, auto, en andere industrieën, ", voegde eerste auteur Tadesse Assefa toe, een postdoc in de groep van Robinson. "De manier waarop de laser zich aan het materiaal koppelt, is afhankelijk van de pulsduur van de laser. de ultrakorte pulsen van femtosecondelasers lijken beter te zijn dan de langere pulsen van nanosecondelasers voor het maken van zuivere sneden zoals het boren van gaten."

Voor hun experiment de wetenschappers maakten eerst dunne films van verschillende diktes (50, 100, en 300 nanometer) in het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven. Hier, in de CFN Nanofabrication Facility, ze voerden elektronenstraalverdamping uit, een depositietechniek die elektronen gebruikt om het gewenste materiaal op een substraat te condenseren. De ultraschone omgeving van deze faciliteit stelde hen in staat om gouden films van uniforme dikte te maken over een groot monstergebied.

Bij PAL-XFEL, ze voerden in de tijd opgeloste röntgendiffractie uit op deze films over een reeks laservermogensniveaus. Software ontwikkeld door medewerkers van het Computational Science Initiative van Brookhaven Lab verwerkte de high-throughput-analyse van de terabytes aan gegevens die werden gegenereerd terwijl een detector de diffractiepatroonafbeeldingen verzamelde. Het team gebruikte vervolgens software ontwikkeld door wetenschappers van Columbia Engineering om deze afbeeldingen om te zetten in lineaire grafieken.

De grafieken onthulden een dubbele piek die overeenkomt met een "heet" gebied dat smelt (tussenpiek) en een relatief "koud" gebied (de rest van het kristal) dat de latente smeltwarmte nog moet ontvangen. Door elektronenkoppeling, warmte gaat naar de korrelgrenzen en geleidt dan in de korrels. Deze opname van latente warmte resulteert in een band van smeltend materiaal ingeklemd tussen twee bewegende smeltfronten. Overuren, deze band wordt groter.

"Eén smeltfront bevindt zich tussen een vast en een smeltgebied, en de andere tussen een smeltend en vloeibaar gebied, ’ legde Robinson uit.

Volgende, het team is van plan om hun tweefrontenmodel te bevestigen door de grootte van de korrels te verkleinen (en daardoor het aantal korrelgrenzen te vergroten), zodat ze het einde van het smeltproces kunnen bereiken. Omdat smelten plaatsvindt als een golf die de kristalkorrels met een relatief lage snelheid (30 meter per seconde) doorkruist, het duurt langer dan het timingbereik van het instrument (500 picoseconden) om grote korrels over te steken.

Ze willen ook kijken naar andere metalen, legeringen (mengsels van verschillende metalen of een metaal gecombineerd met andere elementen), en katalytisch relevante materialen, waarin korrelgrenzen betrokken zijn bij chemische reacties.

"Deze studie vertegenwoordigt het allereerste begin van hoe we een begrip opbouwen van het mechanisme van smelten, " zei Assefa. "Door deze experimenten uit te voeren met verschillende materialen, we zullen kunnen bepalen of ons model generaliseerbaar is."