Op het gebied van de materiaalkunde is het begrijpen van het stollen van materialen cruciaal voor verschillende toepassingen, zoals glasproductie, metaalbewerking en kristalgroei. Een recente studie heeft licht geworpen op een fundamentele observatie op dit gebied:kleine metaaldruppeltjes hebben meer tijd nodig om tot glas te stollen vergeleken met hun grotere tegenhangers. Dit fenomeen, bekend als het grootte-afhankelijke stollingsgedrag, heeft belangrijke implicaties voor het ontwerp en de verwerking van geavanceerde materialen.

Het onderzoeksteam, geleid door wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), voerde experimenten uit met op gallium gebaseerde vloeibare metaaldruppeltjes. Door de grootte van de druppeltjes nauwkeurig te controleren en hun stollingstijd te meten, merkten ze op dat kleinere druppels aanzienlijk langzamer stolden in vergelijking met grotere druppels. Dit gedrag werd toegeschreven aan de oppervlakte-effecten die prominenter worden naarmate de druppelgrootte kleiner wordt.

Bij kleinere druppels neemt de verhouding tussen oppervlakte en volume toe, wat leidt tot een hogere oppervlakte-energie. Deze overtollige energie fungeert als een barrière en belemmert de kiemvorming en groei van kristallijne structuren in de druppel. Als gevolg hiervan is de vloeibare toestand stabieler en wordt het stollingsproces vertraagd.

De onderzoekers ontdekten ook dat het stollingsgedrag van de druppeltjes wordt beïnvloed door de afkoelsnelheid. Bij snelle afkoeling hebben de druppels de neiging een glasachtige toestand te vormen, waarbij de langeafstandsorde van kristallen ontbreekt. Dit komt omdat de snelle afkoeling verhindert dat de atomen zich herschikken in geordende structuren, wat resulteert in een bevroren vloeibare toestand.

Aan de andere kant zorgen lagere afkoelsnelheden ervoor dat de druppels voldoende tijd hebben om de energiebarrière aan het oppervlak te overwinnen en kristallijne structuren te kiemen. Dit leidt tot de vorming van een polykristallijne structuur, gekenmerkt door de aanwezigheid van meerdere kleine kristallen in de gestolde druppel.

De bevindingen uit dit onderzoek bieden waardevolle inzichten in het grootte-afhankelijke stollingsgedrag van materialen. Door deze effecten te begrijpen en te beheersen, kunnen wetenschappers de eigenschappen en structuren van materialen op nanoschaal aanpassen, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor materiaalontwerp en geavanceerde functionele materialen.