FYSIKKER är närmare att förstå varför material, som is och metall, smälter när de värms upp, tack vare en ny teori som utvecklats av forskare vid University of Pennsylvania.

Det banbrytande arbetet, publicerat i den prestigefyllda tidskriften Science, kastar ljus över ett grundläggande mysterium som har förbryllat forskare i århundraden.

Att förstå smältning på atomär skala är avgörande, eftersom det underbygger en rad fenomen från klimatförändringar till funktionaliteten hos elektroniska enheter som smartphones.

Smältningens gåta

Föreställ dig att placera is i ett varmt rum och se hur den långsamt förvandlas till flytande vatten – ett fenomen som vi tar för givet i vardagen.

På atomnivå involverar denna process omarrangering av isens ordnade kristallstruktur till ett mer oordnat, flytande tillstånd. Värmeenergi, tillförd av det varma rummet, ger den nödvändiga knuffen för att övervinna krafterna som håller atomerna eller molekylerna fixerade i sina kristallpositioner, vilket gör att de kan flöda fritt förbi varandra.

Forskare har länge sökt en detaljerad förståelse av denna process - en beskrivning som redogör för de specifika förhållanden som krävs för att orsaka smältning. Varför smälter till exempel is vid en viss temperatur, medan metaller som koppar smälter vid mycket högre temperaturer?

Svaret ligger i styrkan hos interatomära bindningar - krafterna som håller samman atomer eller molekyler i ett fast ämne.

I fasta ämnen är dessa krafter tillräckligt starka för att hålla atomer låsta på plats och bildar regelbundna kristallina strukturer. När temperaturen ökar, får den tillförda energin atomerna att vibrera kraftigare, vilket gradvis försvagar dessa bindningar.

När vibrationsenergin överstiger bindningarnas styrka kollapsar kristallstrukturen och materialet smälter och övergår från ett fast till ett flytande tillstånd.

EN NY TEORI OCH EXTRA STORA ATOMER

Även om denna allmänna förståelse för smältning har funnits under en tid, har forskare kämpat för att utveckla en exakt teori som exakt kan förutsäga smälttemperaturen för olika material.

Problemet uppstår eftersom styrkan hos interatomiska bindningar inte bara beror på själva materialet utan också på de invecklade detaljerna i hur atomerna är ordnade i kristallgittret - ett komplext problem att angripa teoretiskt.

Den nya teorin, formulerad av ett team ledd av Gregory G. Barba, Ph.D., biträdande professor vid Penns institution för fysik och astronomi, kringgår denna komplexitet genom att introducera en ny metod.

"Vår teori är inspirerad av en ovanlig klass av material som kallas mjuka kolloider", säger Barba. "De är som superstora atomer med diametrar hundratals gånger större än vanliga atomer."

I dessa mjuka kolloider beter sig krafterna som verkar mellan partiklarna på ett enklare sätt än de i konventionella material, vilket gör det lättare att studera och förstå.

Genom att analysera hur dessa gigantiska partiklar interagerar och smälter, fick forskarna nyckelinsikter som de sedan använde för att utveckla en allmän teori om smältning.

Deras teori bygger på konceptet "effektiv temperatur" - ett mått på hur starkt atomer vibrerar i kristallgittret.

När den effektiva temperaturen hos ett material överstiger ett kritiskt värde, kan de interatomära bindningarna inte längre hålla ihop kristallstrukturen, vilket leder till smältning.

"Vår teori ger en exakt matematisk beskrivning av smältprocessen", säger Barba.

"Det tillåter oss att förutsäga smälttemperaturen för olika material genom att bara beakta några få nyckelegenskaper hos deras atomära interaktioner, såsom styrkan och omfattningen av krafterna mellan dem."

SMÄLTNING AV METALLER

Forskarna testade sin teori genom att analysera smältbeteendet hos en rad olika material, från enkla kristaller till komplexa metaller. De fann utmärkt överensstämmelse mellan deras teoretiska förutsägelser och experimentella mätningar.

"Vårt arbete visar att smältbeteendet hos olika material kan förstås genom en gemensam underliggande princip", säger Barba.

"Genom att låsa upp denna princip får vi en mer grundläggande förståelse för varför material smälter och, potentiellt, hur man manipulerar deras egenskaper."

IMPLIKATIONER OCH FRAMTIDA ANVISNINGAR

Forskarna tror att deras arbete kan bana väg för många tillämpningar, inklusive design av nya material med skräddarsydda smältegenskaper för specifika tekniska behov.

Till exempel kan deras fynd hjälpa till vid utvecklingen av material med högre smältpunkter för användning i extrema miljöer, såsom rymdkomponenter eller kärnreaktorer.

Barba och hans kollegor planerar att ytterligare förfina sin teori och utvidga den till att studera mer komplexa smältningsfenomen, inklusive blandningars beteende och effekterna av tryck på smältning.

"Vårt arbete öppnar nya vägar för utforskning inom materialvetenskap", säger Barba.

"Genom att reda ut de grundläggande mekanismerna bakom smältning är vi redo att göra betydande framsteg inom materialdesign och ingenjörskonst."