Om du värmer ett fast material tillräckligt, den termiska energin (latent värme) gör att materialets molekyler börjar bryta isär, bildar en vätska. Ett av de mest kända exemplen på denna fasövergång från ett välordnat fast till mindre ordnat flytande tillstånd är is som förvandlas till vatten.

Även om smältning är en grundläggande process av materia, forskare har inte fullt ut kunnat förstå hur det fungerar på en mikroskopisk nivå, på grund av bristen på forskningskapacitet med tillräcklig tidsupplösning. Dock, framkomsten av röntgenfrielektronlasrar (XFEL) under det senaste decenniet gör studien av smältmekanismen, liksom andra ultrasnabba atomdynamik, möjlig. Dessa instrument använder fria (obundna) elektroner för att generera femtosekund (en kvadriljarddel av en sekund) ljuspulser i röntgenenergiområdet. Jämfört med röntgensynkrotroner, XFEL har röntgenpulser av mycket kortare varaktighet och högre intensitet.

Nu, ett team av internationella forskare har använt ett av dessa instrument-Pohang Accelerator Laboratory XFEL (PAL-XFEL) i Sydkorea-för att övervaka smältningen av nanometertjocka guldfilmer som består av massor av mycket små kristaller orienterade i olika riktningar. De använde en ultrakort röntgenpuls ("sond") för att övervaka de strukturella förändringarna efter exciteringen av dessa polykristallina guldtunna filmer med en femtosekundlaser ("pump"), som framkallar smältning. När röntgenpulsen slår guldet, röntgenstrålen diffrakteras i ett mönster som är karakteristiskt för materialets kristallstruktur. Genom att samla röntgendiffraktionsbilder vid olika förseningar i pumpsondens tid på picosekund (en-biljonedel av en sekund), de kunde ta "ögonblicksbilder" när smältningen började och fortskred i de tunna guldfilmerna. Förändringar i diffraktionsmönstren över tiden avslöjade dynamiken i kristallstörningar. Forskarna valde guld för denna studie eftersom den diffrakterar röntgenstrålar mycket starkt och har en väldefinierad övergång mellan fast och flytande.

Röntgendiffraktionsmönstren avslöjade att smältning är inhomogen (icke-enhetlig). I ett papper publicerat online i 17 januari -numret av Vetenskapliga framsteg , forskare föreslog att denna smältning sannolikt kommer från gränsytorna där kristaller av olika orienteringar möts (brister som kallas korngränser) och sedan förökar sig till de små kristallina regionerna (korn). Med andra ord, spannmålsgränserna börjar smälta innan resten av kristallen.

"Forskare trodde att smältning i polykristallina material sker företrädesvis vid ytor och gränssnitt, men före XFEL var smältningens framsteg som funktion av tiden okänd, "sa medförsvararen Ian Robinson, ledare för röntgenspridningsgruppen i avdelningen för kondenserad materia fysik och materialvetenskap (CMPMS) vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory. "Det var känt att lasern genererar" heta "(energiska) elektroner, som orsakar smältning när de överför sin energi till kristallen. Tanken att denna energiöverföringsprocess sker företrädesvis vid spannmålsgränser och därmed inte är enhetlig har aldrig föreslagits förrän nu. "

"Mekanismen för laserinducerad smältning är viktig att tänka på vid mikromaskinering av precisionsdelar som används inom rymd, bil, och andra industrier, "tillade första författaren Tadesse Assefa, en postdoc i Robinsons grupp. "Sättet lasern kopplar till materialet är olika beroende på laserns pulslängd. Till exempel, ultrakortpulserna för femtosekundlasrar verkar vara bättre än de längre pulserna för nanosekundlasrar för att göra rena snitt, till exempel att borra hål. "

För deras experiment, forskarna tillverkade först tunna filmer av varierande tjocklek (50, 100, och 300 nanometer) vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) —en DOE Office of Science User Facility på Brookhaven. Här, i CFN Nanofabrication Facility, de utförde elektronstrålindunstning, en avsättningsteknik som använder elektroner för att kondensera det önskade materialet på ett substrat. Den ultraklana miljön i denna anläggning gjorde det möjligt för dem att skapa guldfilmer med jämn tjocklek över ett stort provområde.

På PAL-XFEL, de genomförde tidsupplöst röntgendiffraktion på dessa filmer över ett antal lasereffektnivåer. Programvara som utvecklats av personal i Brookhaven Labs Computational Science Initiative hanterade analysen med hög genomströmning av terabyte med data som genererades när en detektor samlade diffraktionsmönsterbilderna. Teamet använde sedan programvara som utvecklats av forskare vid Columbia Engineering för att konvertera dessa bilder till linjära grafer.

Plottarna avslöjade en dubbel topp motsvarande en "het" region som genomgår smältning (mellanliggande topp) och en relativt "kall" region (resten av kristallen) som ännu inte har mottagit den latenta smältvärmen. Genom elektronkoppling, värme går till spannmålsgränserna och leder sedan in i kornen. Denna upptagning av latent värme resulterar i ett band av smältande material som ligger mellan två rörliga smältfronter. Över tid, detta band blir större.

"En smältfront är mellan ett fast och smältande område, och den andra mellan en smältande och flytande region, "förklarade Robinson.

Nästa, laget planerar att bekräfta sin tvåfrontsmodell genom att minska storleken på kornen (därigenom öka antalet spannmålsgränser) så att de kan nå slutet av smältprocessen. Eftersom smältning sker som en våg som passerar kristallkornen med en relativt långsam hastighet (30 meter per sekund), det tar längre tid än instrumentets tidsintervall (500 picosekunder) att korsa stora korn.

De skulle också vilja titta på andra metaller, legeringar (blandningar av flera metaller eller en metall i kombination med andra element), och katalytiskt relevanta material, där korngränser är inblandade i kemiska reaktioner.

"Denna studie representerar början på hur vi bygger en förståelse för smältningsmekanismen, "sa Assefa." Genom att utföra dessa experiment med olika material, vi kommer att kunna avgöra om vår modell är generaliserbar. "