_ Cercetătorii descoperă lichefierea spontană a metalului solid– interfețe de metal lichid în aliaje binare coloidale

Granița dintre metalul solid și metalul lichid poate fi mult mai puțin „solidă” decât am bănuit vreodată. Cercetătorii RMIT au descoperit că granița lichid-solid poate fluctua înainte și înapoi, atomii metalici din apropierea suprafeței eliberându-se de rețeaua lor cristalină.

Observând o masă metal-aliaj care se solidifică într-o mare de metal lichid, echipa a reușit să observe un fenomen interesant, nemaivăzut până acum: metalul de suprafață trece dintr-o stare solidă într-o stare lichidă și înapoi.

Spre deosebire de ceea ce este cunoscut sub denumirea de pre-topire, acest fenomen a avut loc la temperaturi neașteptat de scăzute, cu mult sub temperatura de topire a metalului solid (de exemplu, 200°C sub lichidus).

Fenomenul are loc și la o adâncime mult mai mare decât se anticipa în metalul solid, până la 100 de atomi în adâncime și s-a văzut că va continua timp de câteva zile.

Pe lângă faptul că este o nouă descoperire fundamentală interesantă despre chimia metalelor solide și lichide, există o potențială aplicație în cele din urmă oriunde sunt utilizate aliajele metalice. Studiul este publicat în Advanced Science.

În configurația experimentală, o masă metal-aliaj solidă (cristalină) se formează în (sau precipită din) un ocean de metal lichid din jur, un proces comun în sintetizarea aliajelor metalice. .

De exemplu, o pepiță de aliaj de galiu-cupru poate precipita și crește într-o mare de galiu lichid pe măsură ce se răcește la temperatura camerei, ușor sub temperatura de topire a galiului (30°C), dar cu mult sub temperatura de topire a aliajului Cu–Ga (256°C).

(Fenomenul de suprafață fluctuantă recent observat a avut loc în toate sistemele metalice testate de echipa RMIT, dar este deosebit de bine definit în sistem cupru-galiu.)

În ciuda omniprezentei procesului de aliere lichid-metal, în mod surprinzător se știe puțin despre chimia de suprafață crucială a procesului, datorită naturii opace a băii de metal lichid.

Pentru a rezolva această provocare, echipa de la RMIT a fotografiat direct fenomenele de suprafață ale masei galiu-cupru folosind un microscop electronic cu transmisie (TEM), care permite pătrunderea băii de metal lichid și rezoluții până la o scară nanometrică. .

La această scară, se poate observa că suprafața aliajului solid fluctuează între faza solidă și cea lichidă, cu o rată de câteva ori pe secundă și la o adâncime de aproximativ 10 nm sau 50 nm. până la 100 de atomi.

„Această fluctuație a suprafeței metalului solid între fazele solide și lichide a fost complet neașteptată”, spune autorul principal Caiden Parker, „deoarece întregul sistem a fost menținut la condițiile apropiate de temperatura camerei. ."

"Oceanul de galiu lichid a fost cu peste 200°C mai rece decât punctul de topire al aliajului Cu-Ga. Nu s-ar fi părut niciun motiv posibil pentru ca suprafața sa să revină în continuare la forma lichidă”, spune Caiden, care este candidat la doctoratul FLEET la RMIT.

În videoclip, cristalinul Cu–Ga aliajul este identificabil din structura obișnuită a rețelei, care apare ca dungi diagonale. Zona gri înconjurătoare este galiu lichid și nu spațiu gol.

"Straturile exterioare ale unui aliaj de metal solid sunt surprinzător de instabile atunci când sunt plasate în interiorul unui aliaj. mediu lichid-metal, la adâncimea de câțiva nanometri, care fluctuează între starea cristalină și cea lichidă”, spune liderul echipei și autorul corespondent, profesorul Torben Daeneke (de asemenea, la RMIT).

Această lichefiere a interfeței cu cristale este observată la temperaturi remarcabil de scăzute (200°C sub punctul de topire al solidului), diferențiind fenomenul de lichefiere observat de alte procese, cum ar fi pre-topirea la suprafață sau topirea în vrac convențională.

Interfața cristalină extrem de instabilă este observată într-o varietate de sisteme de aliaje binare și, ca atare, descoperirile pot avea un impact asupra înțelegerii proceselor de cristalizare și solidificare în sistemele metalice și aliajele în general.

Structura cristalină conține atât atomi de metal „soluți” (adică, cupru), cât și atomi de metal „solvent” (galiu), formând astfel un compus (CuGa2). Procesul de lichefiere a suprafeței începe prin pierderea unora dintre atomii de metal solvent înapoi în lichidul înconjurător.

Cercetătorii au efectuat modelare dinamică moleculară pentru a înțelege fluidizarea suprafeței observată.

Modelarea dezvăluie că la suprafața lichid-solidă, unii atomi de solvenți (galiu) vor scăpa din structura solidă, deoarece această scăpare este similară energetic cu rămânerea pe loc, adică o proporție din atomii de Ga de suprafață posedă suficientă energie pentru a scăpa de rețeaua cristalină. /p>

Această „scăpare” a atomilor creează un loc liber la suprafață, creând în cele din urmă o instabilitate care duce la colapsul rețelei, determinând retragerea graniței lichid-solid în interior, în solid.

După aceasta, lichidul devine suprasaturat în solut (cuprul), forțând lichidul din jur să se lege din nou cu rețeaua cristalină. Acest lucru face ca granița lichid-solid să avanseze din nou în exterior, înapoi în lichid.

Rezultatul este că limita lichid-solid oscilează înapoi și înainte într-un interval de timp de aproximativ o jumătate de secundă.

În videoclipul modelului molecular, atomii de galiu sunt reprezentați în două culori: sferele gri reprezintă atomii de galiu care încep perioada modelată fiind legați în rețeaua cristalină CuGa2. Sferele de culoare gri închis reprezintă atomi de galiu care încep perioada modelată ca mișcându-se liber în oceanul lichid din jur.

Videoclipul arată o fracțiune de nanosecundă în timpul primei faze a procesului, când granița se deplasează spre interior sub formă de cristal. -atomii legați scapă pentru a se alătura lichidului din jur.

Pe măsură ce modelul rulează, atomii gri (adică atomii de galiu legați inițial) scapă din rețeaua cristalină pentru a pluti într-un ocean de gri închis (galiul lichid din jur). ). După un timp scurt (câteva sute de picosecunde), atomii violet (adică atomii de cupru) încep și ei să se disloce din rețea.

Oportunități pentru cercetări ulterioare și aplicații viitoare interesante

„Sperăm că această descoperire va deschide o nouă înțelegere a modului în care se comportă metalele, pentru crearea de noi oportunități de cercetare, aplicare în noi procese de aliaje, lipire și procese îmbunătățite de fabricație aditivă (imprimare 3D).

Cristalizarea aliajelor dintr-un starea topită este un proces metalurgic fundamental, iar autorii cred că fluctuația solid-lichid a suprafeței cristalului va avea loc de fiecare dată când are loc cristalizarea.

„De aceea este atât de interesant”, spune Torben procesul de aliere este atât de răspândit și atât de important în crearea materialelor care susțin industria modernă, dar nimeni nu știa că se întâmplă acest lucru. Acum, că am descoperit că această fluctuație are loc la suprafața aliajelor solide pe măsură ce se formează, alți cercetători în chimia metalelor vor dori să exploreze acest lucru în continuare.”

Și cu o înțelegere fundamentală îmbunătățită în continuare a procesului de aliaj. cristalizare, este foarte probabil ca acest fenomen nou descoperit să-și găsească o aplicație.

Procesul de solidificare în sinteza aliajelor metalice este crucial, dictând proprietățile fizice, chimice și mecanice finale, toate profund afectate de finalul Structura cristalină, dimensiunea și forma.

„Nu putem ști încă la ce aplicații ar putea duce acest lucru în cele din urmă”, spune Caiden „Nu știm dacă cineva va folosi această nouă înțelegere pentru a sintetiza aliaje îmbunătățite , sau pentru a reduce consumul de energie în crearea aliajelor, sau cine știe ce."

(Fluierul)