Γιατί τα μικροσκοπικά μεταλλικά σταγονίδια χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να στερεοποιηθούν σε γυαλί:Θεμελιώδης παρατήρηση στην επιστήμη των υλικών

Στον τομέα της επιστήμης των υλικών, η κατανόηση της στερεοποίησης των υλικών είναι ζωτικής σημασίας για διάφορες εφαρμογές, όπως η παραγωγή γυαλιού, η μεταλλική εργασία και η ανάπτυξη κρυστάλλων. Μια πρόσφατη μελέτη έχει ρίξει φως σε μια θεμελιώδη παρατήρηση σε αυτόν τον τομέα:τα μικροσκοπικά μεταλλικά σταγονίδια χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να στερεοποιηθούν σε γυαλί σε σύγκριση με τους μεγαλύτερους ομολόγους τους. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως συμπεριφορά στερεοποίησης που εξαρτάται από το μέγεθος, έχει σημαντικές επιπτώσεις για το σχεδιασμό και την επεξεργασία προηγμένων υλικών.

Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τους επιστήμονες από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT), διεξήγαγε πειράματα με τη χρήση σταγονιδίων υγρών μεταλλικών με βάση το γαλλικό. Με τον ακριβή έλεγχο του μεγέθους των σταγονιδίων και τη μέτρηση του χρόνου στερεοποίησης τους, παρατήρησαν ότι τα μικρότερα σταγονίδια στερεοποιήθηκαν με σημαντικά βραδύτερους ρυθμούς σε σύγκριση με μεγαλύτερα σταγονίδια. Αυτή η συμπεριφορά αποδόθηκε στα επιφανειακά αποτελέσματα που γίνονται πιο εμφανή καθώς το μέγεθος των σταγονιδίων μειώνεται.

Σε μικρότερα σταγονίδια, ο λόγος της επιφάνειας σε όγκο αυξάνεται, οδηγώντας σε υψηλότερη επιφανειακή ενέργεια. Αυτή η υπερβολική ενέργεια λειτουργεί ως εμπόδιο, παρεμποδίζοντας την πυρήνωση και την ανάπτυξη κρυσταλλικών δομών μέσα στο σταγονίδιο. Ως αποτέλεσμα, η υγρή κατάσταση είναι πιο σταθερή και η διαδικασία στερεοποίησης καθυστερεί.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι η συμπεριφορά στερεοποίησης των σταγονιδίων επηρεάζεται από τον ρυθμό ψύξης. Υπό ταχείες συνθήκες ψύξης, τα σταγονίδια τείνουν να σχηματίζουν μια υαλώδη κατάσταση, χωρίς τη σειρά κρυστάλλων μεγάλης εμβέλειας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ταχεία ψύξη εμποδίζει τα άτομα να αναδιατάσσονται σε διατεταγμένες δομές, με αποτέλεσμα μια κατεψυγμένη κατάσταση υγρού.

Από την άλλη πλευρά, οι βραδύτεροι ρυθμοί ψύξης επιτρέπουν στα σταγονίδια επαρκή χρόνο για να ξεπεραστούν το φραγμό της επιφανειακής ενέργειας και να πυρπολούν κρυσταλλικές δομές. Αυτό οδηγεί στο σχηματισμό μιας πολυκρυσταλλικής δομής, που χαρακτηρίζεται από την παρουσία πολλαπλών μικρών κρυστάλλων εντός του στερεοποιημένου σταγονιδίου.

Τα ευρήματα αυτής της μελέτης παρέχουν πολύτιμες γνώσεις σχετικά με τη συμπεριφορά στερεοποίησης των υλικών που εξαρτάται από το μέγεθος. Με την κατανόηση και τον έλεγχο αυτών των αποτελεσμάτων, οι επιστήμονες μπορούν να προσαρμόσουν τις ιδιότητες και τις δομές των υλικών στη νανοκλίμακα, ανοίγοντας νέους δρόμους για σχεδιασμό υλικών και προηγμένα λειτουργικά υλικά.