Bild från transmissionselektronmikroskop av nanorods av metalliskt glas. Kredit:Judy Cha
Forskare har funnit att vätska har struktur under vissa omständigheter, och att denna struktur avsevärt påverkar den mystiska och komplexa bildningen av metallglas.
Formbar som plast men stark som metall, metallglas är en relativt ny klass av material gjorda av komplexa, flerkomponentlegeringar. Deras unika egenskaper kommer från hur deras atomer sätter sig i ett slumpmässigt arrangemang när de svalnar från en vätska till en fast substans. Men det har visat sig vara svårt att kontrollera denna process – och fullt ut utnyttja dessa material – eftersom så mycket fortfarande är okänt om vad som händer i kylningsprocessen.
En ny studie, publiceras i Naturkommunikation , ger några svar.
Forskarna, ledd av Judy Cha, Carol och Douglas Melamed biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap, fann att metalliska glas i flytande tillstånd periodvis kommer att bilda kristallina strukturer - deras fritt rörliga atomer ordnar sig i vissa mönster. Detta händer i gränsytan mellan vätskan och det fasta ämnet - dvs. när det smälta materialet har delvis stelnat, den intilliggande vätskan bildar en struktur som gör att den fasta delen växer upp till 20 gånger snabbare än den annars skulle göra.
Judy Cha i hennes Yale-labb. Kredit:Yale University
"Vi lyfter fram den luckan i vår kunskap, sa Cha, som också är medlem i Yales Energy Sciences Institute på West Campus. "Fältet för kristallisation är mycket mogen, men de grundläggande frågorna förblir öppna."
För studien, forskarna använde transmissionselektronmikroskopi för att i realtid observera kristalliseringsprocessen i stavar av metalliskt glas i nanoskala. Att kunna observera materialet på atomär skala, de fann att det metalliska glaset skulle kristallisera med en hastighet av 15 till 20 atomer per sekund om vätskan bildade en struktur. När det inte hade en struktur, hastigheten var cirka tre till fem atomer per sekund.
Yujun Xie, en Ph.D. kandidat i Chas labb och huvudförfattare till uppsatsen, sa att nästa steg är att bredda tillämpningarna av det de har lärt sig.
"Hur ger vår studie en viss inblick i bildandet av andra material, och hur kan vi konstruera andra materials bildning och struktur?" sa han.
Studiens andra författare är Sungwoo Sohn, Minglei Wang, Huolin Xin, Mark D. Shattuck, Corey S. O'Hern, och Jan Schroers.
