Natuurkundigen begrijpen nu beter waarom materialen, zoals ijs en metaal, smelten bij verhitting, dankzij een nieuwe theorie ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania.

Het baanbrekende werk, gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Science, werpt licht op een fundamenteel mysterie dat wetenschappers al eeuwenlang in verwarring brengt.

Het begrijpen van het smelten op atomaire schaal is van cruciaal belang, omdat het ten grondslag ligt aan een reeks fenomenen, van klimaatverandering tot de functionaliteit van elektronische apparaten zoals smartphones.

HET RAADSEL VAN HET SMELTEN

Stel je voor dat je ijs in een warme kamer plaatst en ziet hoe het langzaam verandert in vloeibaar water – een fenomeen dat we in het dagelijks leven als vanzelfsprekend beschouwen.

Op atomair niveau omvat dit proces de herschikking van de ordelijke kristalstructuur van ijs naar een meer ongeordende, vloeibare toestand. Warmte-energie, geleverd door de warme kamer, zorgt voor het noodzakelijke duwtje in de rug om de krachten te overwinnen die de atomen of moleculen in hun kristalposities vasthouden, waardoor ze vrij langs elkaar kunnen stromen.

Wetenschappers hebben lang gezocht naar een gedetailleerd begrip van dit proces – een beschrijving die rekening houdt met de specifieke omstandigheden die nodig zijn om smelten te veroorzaken. Waarom smelt ijs bijvoorbeeld bij een bepaalde temperatuur, terwijl metalen zoals koper bij veel hogere temperaturen smelten?

Het antwoord ligt in de kracht van interatomaire bindingen – de krachten die atomen of moleculen bij elkaar houden in een vaste stof.

In vaste stoffen zijn deze krachten sterk genoeg om atomen op hun plaats te houden en regelmatige kristallijne structuren te vormen. Naarmate de temperatuur stijgt, zorgt de toegevoegde energie ervoor dat de atomen krachtiger gaan trillen, waardoor deze bindingen geleidelijk worden verzwakt.

Zodra de vibratie-energie de sterkte van de bindingen overschrijdt, stort de kristalstructuur in en smelt het materiaal, waarbij het overgaat van een vaste naar een vloeibare toestand.

EEN NIEUWE THEORIE EN EXTRA GROTE ATOMEN

Hoewel dit algemene begrip van smelten al een tijdje bestaat, hebben wetenschappers moeite gehad om een ​​precieze theorie te ontwikkelen die de smelttemperatuur van verschillende materialen nauwkeurig kan voorspellen.

Het probleem ontstaat omdat de sterkte van interatomaire bindingen niet alleen afhangt van het materiaal zelf, maar ook van de ingewikkelde details van hoe de atomen in het kristalrooster zijn gerangschikt – een complex probleem om theoretisch aan te pakken.

De nieuwe theorie, geformuleerd door een team onder leiding van Gregory G. Barba, Ph.D., assistent-professor bij Penn's Department of Physics and Astronomy, omzeilt deze complexiteit door een nieuwe aanpak te introduceren.

"Onze theorie is geïnspireerd op een ongebruikelijke klasse materialen die zachte colloïden worden genoemd", zegt Barba. "Ze lijken op supergrote atomen met een diameter die honderden keren groter is dan die van gewone atomen."

In deze zachte colloïden gedragen de krachten die tussen de deeltjes werken zich eenvoudiger dan die in conventionele materialen, waardoor het gemakkelijker te bestuderen en te begrijpen is.

Door te analyseren hoe deze gigantische deeltjes op elkaar inwerken en smelten, verwierven de onderzoekers belangrijke inzichten die ze vervolgens toepasten om een ​​algemene theorie over smelten te ontwikkelen.

Hun theorie is gebaseerd op het concept van ‘effectieve temperatuur’ – een maatstaf voor hoe sterk atomen trillen in het kristalrooster.

Wanneer de effectieve temperatuur van een materiaal een kritische waarde overschrijdt, kunnen de interatomaire bindingen de kristalstructuur niet langer bij elkaar houden, wat tot smelten leidt.

"Onze theorie geeft een nauwkeurige wiskundige beschrijving van het smeltproces", zegt Barba.

"Het stelt ons in staat de smelttemperatuur van verschillende materialen te voorspellen door slechts een paar belangrijke kenmerken van hun atomaire interacties in ogenschouw te nemen, zoals de sterkte en het bereik van de krachten daartussen."

SMELTENDE METALEN

De onderzoekers testten hun theorie door het smeltgedrag van een reeks materialen te analyseren, van eenvoudige kristallen tot complexe metalen. Ze vonden een uitstekende overeenkomst tussen hun theoretische voorspellingen en experimentele metingen.

"Ons werk laat zien dat het smeltgedrag van diverse materialen kan worden begrepen via een gemeenschappelijk onderliggend principe", zegt Barba.

"Door dit principe te ontsluiten, krijgen we een fundamenteler inzicht in waarom materialen smelten en, mogelijk, hoe we hun eigenschappen kunnen manipuleren."

IMPLICATIES EN TOEKOMSTIGE RICHTSNOEREN

De onderzoekers geloven dat hun werk de weg kan vrijmaken voor tal van toepassingen, waaronder het ontwerp van nieuwe materialen met op maat gemaakte smelteigenschappen voor specifieke technologische behoeften.

Hun bevindingen kunnen bijvoorbeeld helpen bij de ontwikkeling van materialen met hogere smeltpunten voor gebruik in extreme omgevingen, zoals ruimtevaartcomponenten of kernreactoren.

Barba en zijn collega's zijn van plan hun theorie verder te verfijnen en uit te breiden om complexere smeltverschijnselen te bestuderen, waaronder het gedrag van mengsels en de effecten van druk op het smelten.

"Ons werk opent nieuwe mogelijkheden voor onderzoek op het gebied van de materiaalkunde", zegt Barba.

"Door de fundamentele mechanismen achter het smelten te ontrafelen, zijn we klaar om aanzienlijke vooruitgang te boeken in het ontwerp en de engineering van materialen."