1972, natuurkundigen J. Michael Kosterlitz en David Thouless publiceerden een baanbrekende theorie over hoe faseveranderingen kunnen optreden in tweedimensionale materialen. Experimenten toonden al snel aan dat de theorie het proces van een heliumfilm die overgaat van een superfluïde naar een normale vloeistof correct weergaf, helpen om een ​​nieuw tijdperk van onderzoek naar ultradunne materialen in te luiden, om nog maar te zwijgen van het verdienen van Kosterlitz, een professor aan de Brown University, en Thouless aandelen van de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde.

Maar de Kosterlitz-Thouless (K-T) theorie wilde meer verklaren dan de superfluïde overgang. Het paar hoopte ook dat het zou kunnen verklaren hoe een tweedimensionale vaste stof in een vloeistof kan smelten, maar experimenten zijn er tot nu toe niet in geslaagd om de theorie in dat geval duidelijk te valideren. Nutsvoorzieningen, nieuw onderzoek door een andere groep Brown-fysici zou de mismatch tussen theorie en experiment kunnen helpen verklaren.

Het onderzoek, gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , laat zien hoe onzuiverheden - 'extra' atomen in de kristallijne structuur van een materiaal - de orde van een systeem kunnen verstoren en ervoor kunnen zorgen dat het smelten begint voordat de K-T-theorie voorspelt dat dit zou moeten. De bevindingen zijn een stap in de richting van een completere natuurkundige theorie van smelten, zeggen de onderzoekers.

"De overgang tussen vast en vloeibaar is iets waar we allemaal bekend mee zijn, toch is het een diep falen van de moderne natuurkunde dat we nog steeds niet precies begrijpen hoe het gebeurt, " zei Xinsheng Ling, een professor in de natuurkunde aan Brown en senior auteur van het nieuwe artikel. "Wat we hebben laten zien is dat onzuiverheden - die niet zijn opgenomen in de K-T-theorie maar altijd in echte materialen worden gevonden - een belangrijke rol spelen in het smeltproces."

Hoewel de details een groot mysterie blijven, wetenschappers hebben een basiskennis van hoe vaste stoffen smelten. Naarmate de temperatuur stijgt, atomen in het kristalrooster van een vaste stof beginnen rond te wiebelen. Als het schudden te hevig wordt om het rooster bij elkaar te houden, de vaste stof smelt tot een vloeistof. Maar hoe het smeltproces precies begint en waarom het op bepaalde plaatsen in een vaste stof begint in plaats van op andere, is niet bekend.

Voor deze nieuwe studie de onderzoekers gebruikten kleine polystyreendeeltjes gesuspendeerd in sterk gedeïoniseerd water. Elektrische krachten tussen de geladen deeltjes zorgen ervoor dat ze zichzelf rangschikken in een kristalachtig rooster, vergelijkbaar met de manier waarop atomen zijn gerangschikt in een vast materiaal. Met behulp van een laserstraal om individuele deeltjes te verplaatsen, de onderzoekers kunnen zien hoe roosterdefecten de volgorde van het rooster beïnvloeden.

Defecten kunnen in twee algemene vormen voorkomen:vacatures, waar deeltjes ontbreken, en interstitials, waar er meer deeltjes zijn dan er zouden moeten zijn. In deze nieuwe studie is met name gekeken naar het effect van interstitials, die geen eerdere studies hadden onderzocht.

Uit het onderzoek bleek dat hoewel één interstitial in een bepaalde regio weinig verschil maakte in het gedrag van het rooster, twee interstitials maakten een groot verschil.

"Wat we ontdekten was dat twee interstitiële defecten de symmetrie van de structuur verbreken op een manier waarop afzonderlijke defecten dat niet doen, "zei Ling. "Die symmetrie-breking leidt tot lokaal smelten voordat K-T voorspelt."

Dat komt omdat de K-T-theorie zich bezighoudt met defecten die voortkomen uit thermische fluctuaties, en niet defecten die mogelijk al in het rooster hebben bestaan.

"Echte materialen zijn rommelig, "Zei Ling. "Er zijn altijd onzuiverheden. Simpel gezegd, het systeem kan niet onderscheiden welke onzuiverheden zijn en welke defecten zijn veroorzaakt door thermische agitatie, wat leidt tot smelten voordat wat zou worden voorspeld."

De techniek die voor het onderzoek is gebruikt, kan elders nuttig zijn, zeggen de onderzoekers. Bijvoorbeeld, het kan nuttig zijn bij het bestuderen van de overgang van hard glas naar een stroperige vloeistof, een fenomeen gerelateerd aan de vast-vloeibaar overgang dat ook geen volledige verklaring heeft.

"We denken dat we per ongeluk een nieuwe manier hebben ontdekt om symmetrie-brekende mechanismen in de materiaalfysica te ontdekken, " zei Ling. "De methode zelf kan, naast de bevindingen, het belangrijkste aan dit document zijn."