Trots att flytande metalllegeringsprocessen är allmänt förekommande är förvånansvärt lite känt om processens avgörande ytkemi, på grund av den ogenomskinliga naturen hos det flytande metallbadet.

För att lösa denna utmaning avbildade teamet på RMIT ytfenomenen i gallium-kopparmassan direkt med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop (TEM), som tillåter penetrering av det flytande metallbadet och upplösningar ner till en nanometerskala.

I denna skala kan ytan på den fasta legeringen ses fluktuera mellan fast och flytande fas, med en hastighet av flera gånger per sekund, och till ett djup av cirka 10 nm, eller 50 till 100 atomer.

"Denna fluktuation av den fasta metallytan mellan fasta och flytande faser var helt oväntad", säger huvudförfattaren Caiden Parker, "eftersom hela systemet hölls nära rumstemperaturförhållanden."

"Det flytande galliumhavet var över 200 °C kallare än smältpunkten för Cu-Ga-legeringen. Det verkar inte ha varit någon möjlig anledning för dess yta att fortsätta att återgå till flytande form", säger Caiden, som är en FLEET Ph. D. kandidat vid RMIT.

I videon kan den kristallina Cu-Ga-legeringen identifieras från den vanliga gitterstrukturen, som visas som diagonala ränder. Det omgivande grå området är flytande gallium och inte tomt utrymme.

Escape and recapture:En molekylär bild av den fluktuerande gränsen

"De yttre skikten av en solid metallegering är förvånansvärt instabila när de placeras i en flytande metallmiljö, till ett djup av flera nanometer, fluktuerande mellan kristallint och flytande tillstånd", säger teamledaren och motsvarande författare professor Torben Daeneke (även vid RMIT) .

Denna vätskebildning i kristallgränsytan observeras vid anmärkningsvärt låga temperaturer (200°C under smältpunkten för det fasta ämnet), vilket skiljer det observerade vätskebildningsfenomenet från andra processer såsom ytförsmältning eller konventionell bulksmältning.

Det mycket instabila kristallgränssnittet observeras i en mängd binära legeringssystem och som sådan kan fynden påverka förståelsen av kristallisations- och stelningsprocesser i metalliska system och legeringar mer generellt.

Kristallstrukturen innehåller både "lösta" metallatomer (d.v.s. koppar) och "lösningsmedel" metallatomer (gallium) och bildar således en förening (CuGa₂ ). Ytförvätsningsprocessen börjar med att en del av lösningsmedelsmetallatomerna förloras tillbaka till den omgivande vätskan.

Forskarna genomförde molekylär dynamisk modellering för att förstå den observerade ytfluidiseringen.

Modelleringen avslöjar att på den flytande-fasta ytan kommer vissa lösningsmedelsatomer (gallium) att fly från den fasta strukturen på grund av att denna flykt energimässigt liknar att stanna på plats, dvs. en andel av yt-Ga-atomerna har tillräcklig energi för att fly kristallgittret .

Denna "flykt" av atomer skapar en tomhet vid ytan, vilket så småningom skapar en instabilitet som leder till gallerkollaps, vilket gör att gränsen mellan vätska och fast substans drar sig tillbaka inåt, in i det fasta ämnet.

Efter detta blir vätskan övermättad i det lösta ämnet (koppar), vilket tvingar den omgivande vätskan att återbinda med kristallgittret. Detta gör att gränsen mellan vätska och fast material går utåt igen, tillbaka in i vätskan.

Resultatet är att gränsen mellan vätskor och fasta ämnen svänger bakåt och framåt inom en tidsperiod på ungefär en halv sekund.

I videon av den molekylära modellen representeras galliumatomer i två färger:grå sfärer representerar galliumatomer som börjar den modellerade perioden som binds i CuGa₂ kristallgitter. Mörkgrå sfärer representerar galliumatomer som börjar den modellerade perioden som att röra sig fritt i det omgivande flytande havet.

Videon visar en bråkdel av en nanosekund under den första fasen av processen, när gränsen förskjuts inåt när kristallbundna atomer flyr för att förena den omgivande vätskan.

När modellen körs flyr grå atomer (dvs. initialt bundna galliumatomer) kristallgittret för att flyta ut i ett hav av mörkgrått (det omgivande flytande gallium). Efter en kort stund (några hundra pikosekunder) börjar även de lila atomerna (d.v.s. kopparatomer) lossna från gittret.

Möjligheter för ytterligare forskning och spännande framtida tillämpningar

"Vi hoppas att denna upptäckt kommer att öppna ny förståelse för hur metaller beter sig, för att skapa nya forskningsmöjligheter, tillämpning i nya legeringsprocesser, lödningar och förbättrade processer för additiv tillverkning (3D-utskrift).

Kristallisering av legeringar från smält tillstånd är en grundläggande metallurgisk process, och författarna tror att fluktuationen mellan fast och vätska på kristallytan kommer att inträffa varje gång kristallisering sker.

"Det är därför det här är så spännande", säger Torben. "Legeringsprocessen är så utbredd och så viktig för att skapa de material som stöder modern industri, men ingen visste att detta hände. Nu när vi har upptäckt att denna fluktuation sker på ytan av fasta legeringar när de bildas, har andra metallkemiforskare kommer att vilja utforska detta ytterligare."

Och med ytterligare förbättrad grundläggande förståelse för processen för legeringskristallisation, är det högst troligt att detta nyupptäckta fenomen kommer att hitta en tillämpning.

Processen för stelning i syntesen av metallegeringar är avgörande och dikterar de slutliga fysikaliska, kemiska och mekaniska egenskaperna, alla djupt påverkade av den slutliga kristallina strukturen, storleken och formen.

"Vi kan ännu inte veta vilka applikationer detta i slutändan kan leda till", säger Caiden. "Vi vet inte om någon kommer att använda denna nya förståelse för att syntetisera förbättrade legeringar, eller för att minska energianvändningen i legeringsframställning, eller vem vet vad."

Mer information: Caiden J. Parker et al, Spontaneous Liquefaction of Solid Metal–Liquid Metal Interfaces in Colloidal Binary Alloys, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202400147

Journalinformation: Avancerad vetenskap

Tillhandahålls av FLEET