Если вам тепло в достаточно твердый материал, тепловая энергия (скрытая теплота) вызывает молекулы вещества начинают распадаться, образуя жидкость. Один из самых известных примеров этого фазовый переход из упорядоченного твердого тела к менее-заказала жидкий лед, превращаясь в воду.
Хотя плавка является основным процессом материи, ученые не способны понять, как это работает на микроскопическом уровне, из-за отсутствия исследовательских возможностей с достаточным временным разрешением. Тем не менее, появление рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL установках) в последние десятилетия является исследование механизма плавления, а также другое ультрабыстрый атомного масштаба динамике, возможно. Эти инструменты использовать свободные (несвязанные) электронов для генерации фемтосекундных (один-квадриллионы секунд) импульсов света в энергию рентгеновского излучения области. По сравнению с рентгеновским синхрофазотроны, XFEL установках имеют рентгеновские импульсы гораздо короче продолжительности и высокой интенсивности.
Сейчас группа международных ученых использовала один из этих инструментов-в Пхохан ускорительной лаборатории лазер XFEL (пал-лазер XFEL) в Южной Корее-для контроля плавления наночастиц золота толщиной пленки сделан из множества очень мелких кристаллов, ориентированных в различных направлениях. Они использовали ультракоротких рентгеновских импульсов («зонд») для мониторинга структурных изменений после возбуждения этих золотых тонких поликристаллических пленок фемтосекундным лазерным («насос»), что вызывает таяние. Рентгеновский импульс Поражает золото, пучок рентгеновских лучей дифрагирует становится в характерно кристаллической структуры материала. Собирая рентгеновских дифракционных изображений на различных насос-зонда задержки по времени на пикосекунды (одна триллионная секунды) Весы, они сумели сделать «снимки», как плавка стали и развивали в золотых тонких пленок. Изменений на рентгенограммах с течением времени выявляется динамика кристаллической разупорядочения. Ученые отобрали золото для данного исследования, потому что он дифрагирует рентгеновское излучение очень сильно и имеет четко определенный твердого в жидкое переход.
Картины рентгеновской дифракции показали, что плавление является неоднородное (неравномерное). В статье, опубликованной онлайн в января. 17 проблемы развития науки, ученые предложили, что это таяние вероятно, происходит на стыке, где кристаллы разных ориентаций встретиться (несовершенства называемых границ зерен), а затем распространяется в небольших кристаллических областей (зерен). Другими словами, границы зерен начинают таять раньше, чем остальной Кристалл.
«Ученые полагают, что таяние в поликристаллических материалах происходит преимущественно на поверхности и интерфейсы, но прежде чем лазер XFEL прогрессирование плавления как функция времени была неизвестна», — говорит со-Автор Иэн Робинсон, руководитель рассеяния рентгеновских лучей группы в физике конденсированных сред и материаловедения (CMPMS) отдела Департамента энергетики США (МЭ США), Брукхейвенской национальной лаборатории. «Было известно, что лазер создает «горячий» (энергичный) электроны, которые вызывают таяние, когда они передают свою энергию к кристаллу. Идея о том, что этот процесс передачи энергии происходит преимущественно на границах зерен и, следовательно, не является однородным никогда не было предложено до сих пор».
«Механизм лазерно-индуцированного плавления важно учитывать, для изготовления прецизионных деталей, используемых в аэрокосмической, автомобильной и других отраслях», — добавил первый автор Тадессе Assefa, постдок в группе Робинсона. «Способ лазерного пар материал отличается в зависимости от длительности импульса лазера. Например, сверхкоротких импульсов фемтосекундных лазеров, похоже, лучше, чем больше импульсов наносекундного лазеров для чистого реза, таких как бурение отверстий».
В своем эксперименте ученые впервые производство тонких пленок различной толщины (50, 100 и 300 Нм) в центре функциональных наноматериалов (CFN по) — Управление ДОУ науки пользователем объекта в Брукхейвене. Здесь, в Нанопроизводство объекте глядя, они выполняли электронно-лучевого испарения, осаждения метод, что использует электроны конденсируются необходимый материал на подложку. В ультрачистую среды этого объекта позволило им создать золотых пленок равномерной толщины на большой пробной площади.
В PAL-лазер XFEL, они проводили время-разрешенной рентгеновской дифракции на эти фильмы за ряд лазерных уровней власти. Программного обеспечения, разработанного специалистами в области вычислительной науки инициативе Брукхейвенской лаборатории справились с высокой пропускной способностью анализа терабайтов данных, полученных в качестве детектора собираются дифракционной картины изображения. Затем команда использовала программное обеспечение, разработанное учеными из Колумбийского инженерии, чтобы преобразовать эти изображения в линейной графики.
Участки выявили двойной пик, соответствующий «горячей» области проходит плавления (средний пик) и относительно «холодные» области (остальная часть кристалла), которая еще должна появиться скрытая теплота плавления. Через соединение электронов, тепло идет к границам зерен, а затем проводит в зерна. Это понимание скрытой поисковой тепла в зоне плавления материала, зажатой между двумя движущимися расплава фронтах. Со временем эта группа станет больше.
«Одна расплава фронт между твердые и плавленые области, а другой-между плавильным и жидким области», — пояснил Робинсон.
Далее команда планирует подтвердить их два-передний модель за счет уменьшения размеров зерен (тем самым увеличивая количество границ зерен), чтобы они могли дойти до конца процесса плавления. Поскольку плавление происходит как волна пересекает кристаллических зерен при относительно медленной скорости (30 метров в секунду), это занимает больше времени, чем сроки диапазон прибора (500 пикосекунд), чтобы пересечь большие крупинки.
Они также хотели бы посмотреть на другие металлы, сплавы (смеси из нескольких металлов или металла в сочетании с другими элементами), и каталитически соответствующие материалы, в которых границы зерен участвуют в химических реакциях.
«Это исследование представляет самого начала, как мы строим представление о механизме плавления», — сказал Assefa. «Проводя эти эксперименты, используя различные материалы, мы сможем определить, если наша модель является обобщенным.»
Другие сотрудничающие учреждения Университетский колледж Лондона, университет Sogang, и Пхохан университета науки и технологии.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!