Τα εξαιρετικά μεγάλα «άτομα» επιτρέπουν στους φυσικούς του Penn να λύσουν το αίνιγμα του γιατί τα πράγματα λιώνουν
Οι φυσικοί είναι πιο κοντά στην κατανόηση γιατί τα υλικά, όπως ο πάγος και το μέταλλο, λιώνουν όταν θερμαίνονται, χάρη σε μια νέα θεωρία που αναπτύχθηκε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας.
Το πρωτοποριακό έργο, που δημοσιεύθηκε στο διάσημο περιοδικό Science, φωτίζει ένα θεμελιώδες μυστήριο που έχει προβληματιστεί επιστήμονες εδώ και αιώνες.
Η κατανόηση της τήξης στην ατομική κλίμακα είναι ζωτικής σημασίας, καθώς στηρίζει μια σειρά από φαινόμενα από την αλλαγή του κλίματος στη λειτουργικότητα των ηλεκτρονικών συσκευών όπως τα smartphones.
Το αίνιγμα της τήξης
Φανταστείτε να τοποθετήσετε πάγο σε ένα ζεστό δωμάτιο και να το παρατηρήσετε αργά μετασχηματισμό σε υγρό νερό - ένα φαινόμενο που θεωρούμε δεδομένο στην καθημερινή ζωή.
Σε ατομικό επίπεδο, αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την αναδιάταξη της κανονικής κρυσταλλικής δομής του ICE σε μια πιο διαταραγμένη, υγρή κατάσταση. Η θερμική ενέργεια, που παρέχεται από το ζεστό δωμάτιο, παρέχει την απαραίτητη ώθηση για να ξεπεράσει τις δυνάμεις που κρατούν τα άτομα ή τα μόρια που στερεώνονται στις κρυστάλλινες θέσεις τους, επιτρέποντάς τους να ρέουν ελεύθερα το ένα το άλλο.
Οι επιστήμονες ζήτησαν από καιρό μια λεπτομερή κατανόηση αυτής της διαδικασίας - μια περιγραφή που αντιπροσωπεύει τους συγκεκριμένους όρους που απαιτούνται για να προκαλέσουν τήξη. Γιατί, για παράδειγμα, ο πάγος λιώνει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, ενώ μέταλλα όπως ο χαλκός λιώνει σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες;
Η απάντηση έγκειται στη δύναμη των ενδοτομικών δεσμών - οι δυνάμεις που συγκρατούν άτομα ή μόρια μαζί σε ένα στερεό.
Στα στερεά, αυτές οι δυνάμεις είναι αρκετά ισχυρές ώστε να κρατούν τα άτομα κλειδωμένα στη θέση τους, σχηματίζοντας τακτικές κρυσταλλικές δομές. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η προστιθέμενη ενέργεια αναγκάζει τα άτομα να δονείται πιο έντονα, σταδιακά αποδυναμώνοντας αυτούς τους δεσμούς.
Μόλις η δονητική ενέργεια υπερβεί τη δύναμη των δεσμών, η κρυσταλλική δομή καταρρέει και το υλικό λιώνει, μετατρέποντας από μια στερεά σε υγρή κατάσταση.
Μια νέα θεωρία και εξαιρετικά μεγάλα άτομα
Ενώ αυτή η γενική κατανόηση της τήξης υπήρξε για κάποιο χρονικό διάστημα, οι επιστήμονες έχουν αγωνιστεί να αναπτύξουν μια ακριβή θεωρία που μπορεί να προβλέψει με ακρίβεια τη θερμοκρασία τήξης διαφορετικών υλικών.
Το πρόβλημα προκύπτει επειδή η δύναμη των διατομικών δεσμών εξαρτάται όχι μόνο από το ίδιο το υλικό αλλά και από τις περίπλοκες λεπτομέρειες για το πώς τα άτομα είναι διατεταγμένα στο κρυσταλλικό πλέγμα - ένα πολύπλοκο πρόβλημα για την αντιμετώπιση θεωρητικά.
Η νέα θεωρία, που διαμορφώθηκε από μια ομάδα με επικεφαλής τον Gregory G. Barba, Ph.D., βοηθός καθηγητή στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του Penn, παραβιάζει αυτή την πολυπλοκότητα εισάγοντας μια νέα προσέγγιση.
"Η θεωρία μας είναι εμπνευσμένη από μια ασυνήθιστη κατηγορία υλικών που ονομάζονται μαλακά κολλοειδή", λέει ο Barba. "Είναι σαν άτομα υπερ-μεγέθους με διαμέτρους εκατοντάδες φορές μεγαλύτερα από τα συνηθισμένα άτομα."
Σε αυτά τα μαλακά κολλοειδή, οι δυνάμεις που ενεργούν μεταξύ των σωματιδίων συμπεριφέρονται με απλούστερο τρόπο από εκείνες σε συμβατικά υλικά, καθιστώντας ευκολότερη τη μελέτη και την κατανόηση.
Αναλύοντας τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν και λιώνουν αυτά τα γιγαντιαία σωματίδια, οι ερευνητές κέρδισαν βασικές γνώσεις που στη συνέχεια υπέβαλαν αίτηση για την ανάπτυξη μιας γενικής θεωρίας της τήξης.
Η θεωρία τους εξαρτάται από την έννοια της "αποτελεσματικής θερμοκρασίας" - ένα μέτρο για το πόσο έντονα τα άτομα δονείται μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα.
Όταν η αποτελεσματική θερμοκρασία ενός υλικού υπερβαίνει μια κρίσιμη τιμή, οι ενδοτομικοί δεσμοί δεν μπορούν πλέον να συγκρατούν την κρυσταλλική δομή μαζί, οδηγώντας σε τήξη.
"Η θεωρία μας παρέχει μια ακριβή μαθηματική περιγραφή της διαδικασίας τήξης", λέει ο Barba.
"Μας επιτρέπει να προβλέψουμε τη θερμοκρασία τήξης διαφορετικών υλικών εξετάζοντας μόνο μερικά βασικά χαρακτηριστικά των ατομικών αλληλεπιδράσεών τους, όπως η δύναμη και το εύρος των δυνάμεων μεταξύ τους".
Μέταλλα τήξης
Οι ερευνητές εξέτασαν τη θεωρία τους αναλύοντας τη συμπεριφορά τήξης μιας σειράς υλικών, από απλούς κρυστάλλους έως σύνθετα μέταλλα. Βρήκαν άριστη συμφωνία μεταξύ των θεωρητικών προβλέψεών τους και των πειραματικών μετρήσεων.
"Το έργο μας αποκαλύπτει ότι η συμπεριφορά τήξης των διαφορετικών υλικών μπορεί να γίνει κατανοητή μέσω μιας κοινής υποκείμενης αρχής", λέει ο Barba.
"Με το ξεκλείδωμα αυτής της αρχής, κερδίζουμε μια πιο θεμελιώδη κατανόηση του γιατί τα υλικά λιώνουν και, ενδεχομένως, πώς να χειριστούν τις ιδιότητές τους".
Συνέπειες και μελλοντικές κατευθύνσεις
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το έργο τους μπορεί να ανοίξει το δρόμο για πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού νέων υλικών με προσαρμοσμένες ιδιότητες τήξης για συγκεκριμένες τεχνολογικές ανάγκες.
Για παράδειγμα, τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανάπτυξη υλικών με υψηλότερα σημεία τήξης για χρήση σε ακραία περιβάλλοντα, όπως τα αεροδιαστημικά συστατικά ή οι πυρηνικοί αντιδραστήρες.
Ο Barba και οι συνάδελφοί του σχεδιάζουν να βελτιώσουν περαιτέρω τη θεωρία τους και να την επεκτείνουν για να μελετήσουν πιο σύνθετα φαινόμενα τήξης, συμπεριλαμβανομένης της συμπεριφοράς των μειγμάτων και των επιπτώσεων της πίεσης στην τήξη.
"Η δουλειά μας ανοίγει νέες οδούς εξερεύνησης στον τομέα της επιστήμης των υλικών", λέει ο Barba.
"Με την εξάπλωση των θεμελιωδών μηχανισμών πίσω από την τήξη, είμαστε έτοιμοι να κάνουμε σημαντικές εξελίξεις στο σχεδιασμό και τη μηχανική των υλικών".
