Genom att lysa en serie ultrasnabba röntgenpulser mot ett fast material har forskare kunnat fånga den otroligt snabba smältningsprocessen i oöverträffad detalj. Deras resultat rapporteras i tidskriften Nature Physics.
Smältning är en fasövergång som sker när ett fast ämne förvandlas till en vätska. Det är en komplex process som involverar brytning av bindningar mellan atomer eller molekyler. Genom att studera smältprocessen på atomnivå kan forskare få insikt i materiens grundläggande beteende.
Experimenten utfördes vid Linac Coherent Light Source (LCLS), en frielektronlaser belägen vid Stanford Linear Accelerator Center i Menlo Park, Kalifornien. LCLS producerar extremt ljusa, korta pulser av röntgenstrålar som kan användas för att undersöka material på atomnivå.
I experimenten riktade forskarna röntgenpulserna mot ett tunt mål av kisel, ett halvledarmaterial. De analyserade sedan de spridda röntgenstrålarna för att bestämma atomarrangemanget i kislet när det smälte.
Resultaten visade att smältningsprocessen börjar med bildandet av små vätskedroppar på kislets yta. Dessa droppar växer sedan och smälter samman till ett vätskeskikt. Hela smältningsprocessen skedde på mindre än en miljarddels sekund.
Forskarna observerade också att smältprocessen påverkas av förekomsten av defekter i kiselgittret. Dessa defekter fungerar som kärnbildningsställen för bildandet av vätskedroppar.
Forskargruppen ledd av Philip H. Bucksbaum vid SLAC National Accelerator Laboratory förklarar vikten av dessa insikter med deras praktiska tillämpningar inklusive förbättring av nuvarande industriella material och teknologier genom att utnyttja smältdynamik över längdskalor inom områden inklusive mikroelektronik, additiv tillverkning, 3D-utskrift, högenergidensitetsfysik, planetvetenskap och kärnastrofysik.
Forskarna säger att deras resultat kan användas för att utveckla nya material som är resistenta mot smältning eller som har en specifik smältpunkt. De tror också att deras arbete kan bidra till att förbättra förståelsen för geologiska processer som vulkanutbrott.
