Hur metaller smälter vid höga temperaturer och tryck klargjordes med en ny röntgenspridningsteknik. En metall är inklämd mellan två högtrycks diamantstäd. En laser smälter provet (höger), medan strukturen övervakas med röntgendiffraktion. Metallmikrostrukturen (grön granulär struktur och gula uppvärmda områden) vid olika temperaturer visas schematiskt till vänster. Efter laserpulsen, de ursprungliga kornen växer innan de smälter. (TM är smälttemperaturen.) Små korn bildas när den smälta metallen fryser igen efter snabb kylning (släckning). Kredit:US Department of Energy
Vid temperaturer så varma som solen och under tryck över en miljon gånger atmosfärstryck, metallmolybdenet smälter. Spårning av metallens smälta historia klargjorde smältpunkten, gränsen mellan fasta och flytande faser. För att spåra smältprocessen, ett team fokuserade en röntgenstråle i de snäva gränserna mellan två ultrahårda diamantmikrostäd. En laser värmde den lilla volymen. Röntgenstrålen tillät spårning av fina egenskaper som unikt bildades från den smälta metallen och var en tydlig indikation på att smältning hade skett.
Karakterisering av högtryckssmältning användes för att kartlägga det viktiga området för temperaturer och tryck strax innan en fast metall smälter för att bli en vätskepöl. Mätningar vid extrema temperaturer och tryck möjliggjordes med hjälp av en miniatyr diamantcell och en laser. Denna nya röntgenspridningsmetod möjliggjorde en mer exakt faskarta. Det löste skillnader mellan modeller och tidigare experiment, och avslöjade också en ny fas.
Tillförlitlig detektering av smältpunkten för material vid högt tryck har varit experimentellt svårt. Det som behövs är ett sätt att avgöra om ett prov är fast eller flytande i en liten högtryckscells begränsningar. Med denna nya metod, kontrollerad laseruppvärmning och snabb kylning skapade en mätbar strukturell signatur som märkte ett materials resa till det smälta tillståndet.
I forskningen, ett team klämde in ett litet prov av molybdenmetall mellan miniatyr diamantstäd. De pressade metallen till extrema tryck:över en miljon gånger jordens atmosfärstryck. De använde infraröda laserstrålar för att värma provvolymen till extrema temperaturer upp till den på solens yta. På samma gång, en ljus starkt fokuserad röntgenstråle genererade diffraktionsmönster. Dessa mönster är känsliga för metallens mikrokristallina tillstånd. Forskare fann att fördelningen av de ursprungliga kristallina kornstorlekarna växte till större diametrar efter första uppvärmningen.
När provet smält, kornen försvann. Och, efter snabb kylning, vätskan omkristalliserades med mycket mindre korn. Dessa bedömningar kan användas för att besvara frågan, även efter det faktum, om huruvida en särskild temperaturutflykt fick metallen att smälta. Strukturförändringarna är nya, mer tillförlitligt kriterium för att utforska faskartan vid extremt tryck och temperatur. Detta nya tillvägagångssätt förbättrade noggrannheten i molybdenfaskartan och tog bort avvikelser mellan teori och mindre exakta mätningar i den vetenskapliga litteraturen.
Också, studien av mikrostrukturen nära men under smältpunkten avslöjade en ny fas med mycket strukturerad omarrangemang av finkorn. Det liknar den strukturerade strukturen som finns efter avsättning av metallfilmer på ett substrat genom ångkondensation. Att lära sig att manipulera dessa mikrostrukturer har konsekvenser för en mängd applikationer med hög temperatur, inklusive mekaniska egenskaper hos material i motorer och vapen.
