Door een reeks ultrasnelle röntgenpulsen op een vast materiaal te laten schijnen, zijn wetenschappers erin geslaagd het ongelooflijk snelle smeltproces tot in ongekend detail vast te leggen. Hun bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Nature Physics.

Smelten is een faseovergang die optreedt wanneer een vaste stof in een vloeistof verandert. Het is een complex proces waarbij verbindingen tussen atomen of moleculen worden verbroken. Door het smeltproces op atomair niveau te bestuderen, kunnen wetenschappers inzicht krijgen in het fundamentele gedrag van materie.

De experimenten werden uitgevoerd bij de Linac Coherent Light Source (LCLS), een vrije-elektronenlaser in het Stanford Linear Accelerator Center in Menlo Park, Californië. De LCLS produceert extreem heldere, korte pulsen röntgenstraling die kunnen worden gebruikt om materialen op atomair niveau te onderzoeken.

In de experimenten richtten de onderzoekers de röntgenpulsen op een dun doelwit van silicium, een halfgeleidermateriaal. Vervolgens analyseerden ze de verstrooide röntgenstralen om de atomaire rangschikking in het silicium te bepalen terwijl het smolt.

De resultaten toonden aan dat het smeltproces begint met de vorming van kleine, vloeibare druppeltjes op het oppervlak van het silicium. Deze druppeltjes groeien vervolgens en smelten uiteindelijk samen om een ​​vloeistoflaag te vormen. Het hele smeltproces vond plaats in minder dan een miljardste van een seconde.

De onderzoekers merkten ook op dat het smeltproces wordt beïnvloed door de aanwezigheid van defecten in het siliciumrooster. Deze defecten fungeren als kiemplaatsen voor de vorming van vloeistofdruppeltjes.

Het onderzoeksteam onder leiding van Philip H. Bucksbaum van het SLAC National Accelerator Laboratory legt het belang van deze inzichten uit met hun praktische toepassingen, waaronder het verbeteren van de huidige industriële materialen en technologieën door het benutten van de smeltdynamiek over lengteschalen op gebieden als micro-elektronica, additieve productie, 3D-printen, natuurkunde met hoge energiedichtheid, planetaire wetenschap en nucleaire astrofysica.

De wetenschappers zeggen dat hun bevindingen kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te ontwikkelen die bestand zijn tegen smelten of die een specifiek smeltpunt hebben. Ze geloven ook dat hun werk kan helpen het begrip van geologische processen zoals vulkaanuitbarstingen te verbeteren.