Forskare vid European XFEL i Schenefeld nära Hamburg har tittat närmare på bildandet av den första kristallisationen av kärnor i underkylda vätskor. De fann att bildningen börjar mycket senare än vad som tidigare antagits. Fynden kan hjälpa till att bättre förstå skapandet av is i moln i framtiden och att beskriva vissa processer inuti jorden mer exakt.
Alla barn vet att vatten fryser till is när det blir iskallt. För vatten sker detta normalt under 0°C, vattnets smälttemperatur. Detta är en fast punkt på Celsius temperaturskalan som vi använder.
Övergången från flytande till fast fas är dock en mycket komplex process och är svår att studera experimentellt på atomnivå. En anledning till detta är att kristaller bildas slumpmässigt:Du vet inte exakt när och var det kommer att hända.
Dessutom kan en vätska förbli i ett metastabilt tillstånd under lång tid:Den förblir flytande även om den egentligen borde frysa och bli fast. Detta gör det utomordentligt svårt att hitta rätt ögonblick för en kristall att bildas och se hur den växer.
Dessa effekter är dock mycket relevanta till sin natur. De spelar till exempel en avgörande roll i bildandet av is i moln eller i processer inuti jorden.
Med hjälp av de intensiva röntgenblixtarna från den europeiska XFEL:s röntgenfrielektronlaser har ett internationellt team av forskare vid Europeiska XFEL i Schenefeld nära Hamburg nu lyckats exakt mäta kärnbildningen av underkylda vätskor. Experimenten ägde rum i ett vakuum så att röntgenljuset inte interagerar med molekylerna i luften, vilket skulle störa experimenten.
Forskningen är publicerad i tidskriften Physical Review Letters .
På grund av dess komplexitet är vatten dock en av de svåraste vätskorna att modellera. Av den anledningen använde forskarna istället argon och krypton i flytande form i sina experiment. I själva verket är underkylda ädelgasvätskor de enda systemen för vilka tillförlitliga teoretiska förutsägelser för närvarande kan göras.
Forskarna undersökte uttryckligen den så kallade kristallkärnbildningshastigheten J(T). Detta är ett mått på sannolikheten att en kristall kommer att bildas i en viss volym inom en viss tid. Hur snabbt detta sker är en viktig parameter, till exempel för att matematiskt kunna beskriva verkliga processer i modeller – i till exempel väderprognoser eller i klimatmodeller.
Eftersom det är så svårt att mäta verklig kristallbildning används ofta simuleringar. Dessa är dock förknippade med stora osäkerheter. Till exempel kan kärnbildningshastigheterna som simuleras för vatten avvika med flera storleksordningar från de som uppmätts experimentellt, vilket gör modelleringen inexakt.
Röntgenlasern från European XFEL är idealisk för undersökningar av detta slag:Med hjälp av intensiva röntgenblixtar kan forskare undersöka de mycket snabba förändringarna i utvecklingen av kristallisation.
Teamet valde MID-instrumentet (MID =Materials Imaging and Dynamics) för sina experiment. De bombarderade vätskestrålarna med röntgenpulser som hade en energi på 9,7 kiloelektronvolt (keV). Varje röntgenpuls varade mindre än 25 femtosekunder – en femtosekund motsvarar en kvadriljondels sekund. För att illustrera, färdas ljus mindre än en millimeter under denna tid.
Försöksledarna riktade det intensiva röntgenljuset mot vätskestrålen, som bara var 3,5 mikrometer tunn, och fokuserade den på en yta med en diameter på mindre än en mikrometer. Totalt spelade teamet in flera miljoner diffraktionsbilder för att ha tillräcklig statistik och för att bestämma hastigheten för kristallbildning med tillräcklig noggrannhet.
Enligt deras resultat är kristallkärnbildningshastigheterna mycket mindre än de som förutspåtts på basis av simuleringar och den klassiska teorin.
"Studien lovar att avsevärt utöka vår förståelse av kristallisering", säger Johannes Möller från MID instrument of European XFEL. "Resultaten visar att den allmänt använda klassiska teorin om bildandet av kristaller från vätskefasen avviker avsevärt från verkligheten."
"Vi förväntar oss att vårt tillvägagångssätt kommer att tillåta att testa olika förlängningar av den klassiska teorin för att förutsäga kristallisation för första gången", tillägger Robert Grisenti från GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, senior författare till studien. "Våra resultat kommer att hjälpa teoretiker att förfina sina modeller i framtiden."
