(Phys.org)—Fasövergångar är transformationer som sker mellan materiatillstånd—det vill säga, mellan fasta, flytande, gas, och mindre vanligt mellan gas och plasma. Vad som kan vara förvånande är att fast-fast fas övergångar, som är väsentliga inom metallurgi, keramik, geovetenskap, omkonfigurerbara material, och kolloidalt material, är de mest allmänning. (Exempel på fast-fastfasövergångar inkluderar transformationer mellan de tre primära kristallina tillstånden av rent järn och självorganiserande anisotropa kolloidala suspensioner – det vill säga, kolloidala suspensioner som har olika egenskaper längs olika axlar.) Trots deras allestädes närvarande, dock, högtrycks- och/eller högtemperatursammanhang och behovet av att använda högupplöst bildteknik har gjort det mycket utmanande att studera fast-fastfasövergångsintermediära transformationstillstånd. Nyligen, forskare vid University of Michigan har tagit fram datormodeller som visar fast-fastfasövergångar baserade på kolloidala partikelformändringar som kontrollvariabel, rapportera både diskontinuerliga och kontinuerliga övergångar (dvs. de som kräver och inte kräver termisk aktivering, respektive). Forskarna konstaterar att genom att etablera en ny metod för att studera fast-fast fasövergångar, deras modeller kan stödja design och generering av omkonfigurerbara kolloidala material.

Doktorand Chrisy Xiyu Du och prof. Greg van Anders diskuterade uppsatsen att de, Dr Richmond S. Newman, och Prof. Sharon C. Glotzer, och deras medförfattare publicerade i Proceedings of the National Academy of Sciences med Phys.org . Beskriva de största utmaningarna i att designa modeller som fångar fast-fastfasövergångstermodynamik och bestämma att en termisk aktiveringsbarriär inte är universellt nödvändig i solid-solid-övergångar, van Anders berättar Phys.org att "Solid-solid-övergångar har varit viktiga inom tekniken i tusentals år - faktiskt, sedan början av järnåldern — och är också viktiga i geologiska processer. Dessutom, " han lägger till, "Mönstret av symmetribrott som finns i fasta ämnen betyder att dessa övergångar inte bara är tekniskt viktiga, men att det finns många av dem. Problemet med att förstå övergångarna är att de vanligtvis sker under extrema förhållanden (hög temperatur eller tryck), vilket gör dem svåra att studera."

Innan de studerade, Du säger, inget annat papper har gjort en grundlig undersökning av termodynamiken för eventuella kolloidala fast-fasta övergångar. "Det här tomrummet i kunskap innebar att oavsett vilka resultat vi hittade, vi behövde utföra tillräckligt med validering för att övertyga oss själva om att vi inte observerade artefakter från våra simuleringar." Hon tillägger att anisotropa kolloidala nanopartiklar är perfekta byggstenar för självmontering av kristallstrukturer - och forskare har experimentellt kunnat sätta ihop dessa nanopartiklar själv till kolloidala kristallstrukturer som sträcker sig från den grundläggande och allestädes närvarande ansiktscentrerade kubiska fasen till komplicerade faser som klatrater.

En annan utmaning var att hitta ordningsparametrar som hade lämpligt signal-till-brus-beteende - ett särskilt problem, van Anders påpekar, eftersom systemen de studerade är entropiskt stabiliserade (det vill säga termiska fluktuationer är fundamentalt inblandade i systemets beteende, men kan komplicera ordningsparametermätningar). "Att balansera dessa effekter och kontrollera att beteendet vi observerade inte var en artefakt av vår parametrisering krävde betydande ansträngningar."

Du noterar att det är enkelt att studera termodynamiken för två stabila faser individuellt, Samtidiga jämförelser är svåra. "På grund av den korta tidsskalan och den låga sannolikheten för att systemet är i ett övergångstillstånd, vi var tvungna att tillämpa partiska krafter för att studera det. Förutom att hitta rätt ordningsparameter för att särskilja olika kristallfaser – en utmaning i sig – justerade vi noggrant styrkan på provtagningsintervallen för förspänningskraft för att minska brus, därigenom uppnå en statistiskt säkerställd slutsats."

Att ta itu med dessa utmaningar, van Anders förklarar, involverade att mäta förändringen i den närmaste grannmiljön för partiklar före och efter övergången, som vanligtvis karakteriseras med hjälp av koordinationspolyedrar som ger en geometrisk uppdelning av de lokala miljöerna. "Vi insåg att om vi kunde komma med system där det är möjligt att direkt manipulera koordinationspolyedrarna, det skulle kunna vara möjligt att ha solid-solid-övergångar som sker under mindre extrema förhållanden. Att göra detta, vi insåg att i suspensioner av anisotropiskt formade kolloidala nanopartiklar är det möjligt att manipulera partikelformen, vilket i sin tur kan tillåta kontroll av formen på koordinationspolyedrarna i kristallen." Ändring av kolloidform möjliggör övergångar mellan fasta och fasta ämnen i simuleringar som efterliknar normala laboratorieförhållanden.

Du beskriver två nyckel, tidigare insikter som används i detta arbete:entropi kan leda till ordning, och partikelformer kan inkluderas som en termodynamisk variabel liknande temperatur eller tryck. "I vårt arbete, vi kombinerade dessa två insikter och utökade studiet av fast-fastfasövergångar till att inkludera byggstensegenskaper som form. När det gäller tekniska svårigheter, vi sökte igenom litteraturen för att välja en bra ordningsparameter för att särskilja olika kristallstrukturer, och sedan anpassade den för att möta våra behov." Forskarna utökade också NVT (eller kanoniska) statistiska ensemble - en konstant temperatur, ensemble med konstant volym – i HOOMD-blått (en allmän partikelsimuleringsverktygssats) för att bättre reducera brus i sina simuleringar.

"Vårt arbete har två uppsättningar implikationer, " berättar van Anders Phys.org . "För det första, vi visade att det är enkelt att konstruera minimala modeller av solid-solid-övergångar som inträffar i system som kan studeras i realtid, enkel, bordsexperiment med optisk mikroskopi. Detta borde ge oss nya sätt att få detaljerad inblick i hur solid-solid-övergångar sker. För det andra, vi visade att solid-solid-övergångar drivna av formförändring sker på tillräckligt korta tidsskalor, så att de kan användas för att göra omkonfigurerbara material."

Du berättar Phys.org att i vissa fall, med lämplig formändring, det är möjligt att hitta solid-solid-övergångar som inträffar på Monte Carlo-simuleringstidsskalor som är jämförbara med eller kortare än tidsskalor för självmontering av den relevanta fasta fasen från en tät, oordnad vätska. Detta fynd, Du tillägger, ger ytterligare bevis på att kolloidalt material utgör en potentiell väg för att utveckla omkonfigurerbara material. "Med den senaste utvecklingen av formskiftande kolloidala material, vårt arbete kan vara en bra teoretisk guide för experimentalister:När de försöker använda formskiftande partiklar för att göra omkonfigurerbara material, vårt arbete kan potentiellt förklara några av de fasbeteenden de kan observera."

"Våra resultat ger också designkriterier för att välja partikelformer och deras transformationer för att uppnå jämn kontra abrupt omkonfiguration, beroende på den avsedda tillämpningen, ", tillägger seniorförfattaren Prof. Sharon Glotzer. "Dessutom – och ännu mer spännande – förstår vi nu hur man omvänt utformar partikelformer för specifika, riktade solid-solid-övergångar."

Angående nästa steg, forskarna avser att förstå andra typer av övergångar än de som rapporteras i denna artikel. När det gäller andra forskningsområden som kan dra nytta av deras studie, van Anders säger att möjliga tillämpningar inkluderar utveckling av omkonfigurerbara material, och större insikt i fasta-fasta övergångar i atomsystem.

"Fokus för vårt arbete låg på att få en detaljerad förståelse av termodynamiken i de övergångar vi studerade, av Anders avslutar. "Vi går framåt, förmågan att studera formdrivna solid-solid-övergångar med optisk mikroskopi öppnar möjligheten att bli mycket detaljerad, information på partikelnivå om transformationskinetik."

© 2017 Phys.org