Ett team ledd av Caltech löste nyligen ett årtionden gammalt materialvetenskapligt mysterium genom att spåra uppkomsten av entropi i metalliska glasögon.

Vanligtvis, atomer i de flesta material ordnar sig i stabila repeterbara mönster längs ett rutnät, bildar vad som allmänt kallas kristaller. Däremot metallglas är metaller som har värmts upp tills de blir flytande, och kyls sedan så snabbt att de inte hinner kristallisera innan de stelnar. Istället, de har en amorf, vätskeliknande struktur på atomnivå som ger dem unika fysikaliska egenskaper.

Ett ihållande mysterium om metallglas uppstår vid den så kallade "glasövergången". Ett kallt metalliskt glas är hårt och sprött, men när den värms förbi en viss punkt – glasövergången – blir den mjuk.

Vid glasövergången, forskare har noterat en plötslig ökning av entropin i materialet som värms upp. Inom termodynamik, entropi är mängden energi i ett system som inte är tillgängligt för att utföra arbete - vilket är kopplat till mängden slumpmässighet i ett system. När det gäller fasövergångar, föreställ dig att is smälter till vatten. När vattenmolekyler är låsta i isens kristallina struktur, de är i ett lågenergitillstånd med ganska förutsägbara lägen. När den isen smälter till en vätska, dessa vattenmolekyler kan flöda in i nästan vilken position som helst, vilket är en ökning av systemets slumpmässighet – entropin.

"Ursprunget till den enorma entropin hos glaset och vätskan jämfört med kristallen har diskuterats i den vetenskapliga litteraturen sedan metallglas upptäcktes vid Caltech 1960, " säger Caltechs Hillary Smith (MS '10, PhD '14), huvudförfattare till en ny artikel om entropi i metalliska glasögon som publicerades i Naturfysik . Smith är forskare i labbet av Brent Fultz, Barbara och Stanley R. Rawn, Jr., Professor i materialvetenskap och tillämpad fysik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap vid Caltech, och en medförfattare till tidningen.

Teamet fokuserade på att skilja mellan mängden "konfigurationsentropi" och "vibrationsentropi" - de två huvudsakliga källorna till entropi i de flesta material - i metalliska glas.

Föreställ dig att dumpa en påse med mynt på en bordsskiva, och sedan räkna upp hur många landade heads-up kontra tails-up. Det är möjligt att få alla huvuden eller alla svansar, men det är statistiskt sett mer sannolikt att få ungefär halva huvuden och halva svansar eftersom det finns fler sätt för mynten att ordna sig i en halv-och-halv-konfiguration än i en all-heads-konfiguration. Inom termodynamik, man skulle säga att arrangemanget halvhuvuden/halvsvansar har en högre konfigurationsentropi.

Dock, atomer (till skillnad från mynt) sitter inte stilla, utan snarare vibrera runt i sin position. Mängden av denna vibrationsentropi bestäms, till viss del, genom styvheten hos strukturen som håller dess atomer på plats.

"Genom att noggrant mäta mängden av denna värme som kommer från atomernas konfigurationer och mängden som kommer från atomernas vibrationer, vi kunde lägga denna kontrovers för metalliska glasögon, " säger Smith.

Teamet utvärderade först vibrationsentropin hos metaller i både glas- och kristallform. Att göra så, de använde intensiva neutronstrålar vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee för att bombardera varje material, ringer varje prov som en klocka och mäter hur det reagerade. De mätte också den totala entropin av glaset och kristallen med hjälp av en teknik som kallas kalorimetri.

"Att mäta mängden entropi som kommer från atomernas vibrationer i ett glas var inte möjligt för ett decennium sedan, " säger Smith. "Det är bara tack vare de otroligt intensiva neutronstrålarna som finns på Oak Ridge som vi kunde göra det här experimentet. Till sist, vi hittade den saknade biten i att validera en mycket omdiskuterad teori som aldrig hade testats."

De upptäckte att även om den totala entropin i glaset är mycket större än i kristallen, deras vibrationsentropier är nästan identiska. Detta tyder på att entropin i glasstrukturen nästan enbart härrör från hur atomerna ordnar sig; det är, från konfigurationsentropin.

Nästa, teamet planerar att undersöka andra typer av glasögon för att avgöra om resultatet är universellt för alla glasögon.