Fasövergångar omger oss – till exempel, flytande vatten ändras till is när det fryses och till ånga när det kokar. Nu, forskare vid Carnegie Institution for Science har upptäckt ett nytt fenomen med så kallad metastabilitet i flytande fas. En metastabil vätska är inte riktigt stabil. Detta tillstånd är vanligt i underkylda vätskor, som är vätskor som svalnar under fryspunkten utan att förvandlas till en fast substans eller en kristall. Nu, forskare rapporterar de första experimentella bevisen för att skapa en metastabil vätska direkt genom motsatt tillvägagångssätt:smältning av en fast högtryckskristall av metallvismut via en dekompressionsprocess under dess smältpunkt.

Resultaten, rapporterades den 23 januari, 2017, frågan om Naturkommunikation , kan vara viktigt för att utveckla nya material och för att förstå dynamiken i planetariska interiörer, som jordbävningar, eftersom en metastabil vätska kan fungera som ett smörjmedel som starkt påverkar dynamiken i jordens inre.

"Fasövergångar finns i två grundläggande "smaker, '" förklarade Carnegies medförfattare Guoyin Shen, chef för High-Pressure Collaborative Access Team på Advanced Photon Source. "I en typ, de kemiska bindningarna bryts inte när materialet går från en fas till en annan. Men de ändrar sig i orientering och längd på ett ordnat sätt. Den andra, kallas rekonstruktiv fasövergång, är mer kaotiskt, men den mest utbredda i naturen och fokus för denna studie. I dessa övergångar, delar av de kemiska bindningarna bryts och strukturen förändras avsevärt när den går in i en ny fas."

Tryck kan användas för att ändra fasen av ett material förutom uppvärmning och kylning. Forskarna lägger en form av kristallin vismut i en tryckinducerande diamantstädcell, och utsatt den för tryck och dekompression från 32, 000 gånger atmosfärstryck (3,2 GPa) till 12, 000 atmosfärer (1,2 GPa) vid en temperatur av 420° F (489 K). Endast under dekompression, vid ca 23, 000 atmosfärer, vismut smälter till en vätska. Sedan vid 12, 000 atmosfärer omkristalliserar den.

"Rikigheten i kristallin struktur hos vismut är särskilt användbar för att bevittna förändringar i strukturen hos ett material, " kommenterade huvudförfattaren Chuanlong Lin.

Forskarna avbildade förändringarna med en teknik som kallas röntgendiffraktion, som använder mycket högre energi röntgenstrålar än de vi använder för medicinsk bildbehandling och kan därför urskilja struktur på atomnivå. De genomförde fem olika komprimerings-/dekompressionsomgångar av experiment.

"Vismuten uppvisade en metastabil vätska i processen med fast-fastfasövergångar under dekompression vid cirka 23, 000 till 15, 000 atmosfärer, " sa Lin.

Forskarna fann också att det metastabila tillståndet kan bestå i timmar under smältpunkten under statiska förhållanden. Intressant, den metastabila vätskan som produceras genom dekompression inträffade i ett tryck-temperaturområde som liknar där underkyld vismut produceras.

"Eftersom rekonstruktiva fasövergångar är den mest grundläggande typen, denna forskning ger ett helt nytt sätt att förstå hur olika material förändras, " Shen sa. "Det är möjligt att andra material kan visa en liknande metastabil vätska när de genomgår rekonstruktiva övergångar och att detta fenomen är mer utbrett än vi trodde. Resultaten kommer utan tvekan att leda till otaliga överraskningar inom både materialvetenskap och planetvetenskap under de kommande åren."