Οι εξαιρετικά γρήγοροι παλμοί ακτίνων Χ αποκαλύπτουν πώς ένα στερεό λιώνει στο υγρό
Όταν θερμαίνεται ένα στερεό υλικό, τα άτομα του αρχίζουν να δονείται με αυξανόμενη ενέργεια. Σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται σημείο τήξης, οι δονήσεις γίνονται τόσο έντονες ώστε τα άτομα να απαλλαγούν από τις σταθερές θέσεις τους και το υλικό μεταβαίνει σε υγρή κατάσταση. Ωστόσο, η ακριβής ακολουθία των γεγονότων που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης παρέμειναν αόριστες, κυρίως λόγω των εξαιρετικά σύντομων χρονικών χρονών.
Για να ξεπεραστεί αυτή η πρόκληση, οι ερευνητές με επικεφαλής τον καθηγητή John Botha του Πανεπιστημίου του Αμβούργου στη Γερμανία χρησιμοποίησαν μια προηγμένη τεχνική ακτινογραφίας που ονομάζεται φασματοσκοπία συσχέτισης φωτονίων (XPCs). Με την παραγωγή εξαιρετικά γρήγορων παλμών ακτίνων Χ και την ανάλυση των διασκορπισμένων ακτίνων Χ, ήταν σε θέση να διερευνήσουν τις μεταβατικές δομικές αλλαγές σε ένα στερεό δείγμα χαλκού που υποβλήθηκε σε ξαφνικό άλμα θερμοκρασίας.
Τα ευρήματά τους παρουσιάζουν μια αξιοσημείωτη αλυσίδα γεγονότων που ξεδιπλώνονται σε εξαιρετικά γρήγορα χρονοδιαγράμματα. Τα αρχικά στάδια της τήξης περιλαμβάνουν την πυρήνωση των υγρών σταγονιδίων εντός του στερεού χαλκού. Αυτά τα σταγονίδια αναπτύσσονται γρήγορα και συγχωνεύονται, διαβάζοντας σταδιακά την κρυσταλλική τάξη έως ότου ολόκληρο το υλικό μετατραπεί σε υγρή κατάσταση.
Είναι ενδιαφέρον ότι η τεχνική XPCS δεν καταγράφει απλώς τη μετάβαση φάσης στο χύδην υλικό, αλλά επίσης αποκαλύπτει κρίσιμες πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά κοντά στις διεπαφές στερεού υγρού. Αυτές οι διεπαφές παρουσιάζουν μοναδική δυναμική, όπου τα άτομα εμφανίζουν τόσο στερεά όσο και υγρά χαρακτηριστικά. Η κατανόηση αυτών των διεπιφανειακών επιδράσεων είναι ζωτικής σημασίας για την απόκτηση γνώσεων σε διάφορους τομείς της επιστήμης της φυσικής και των υλικών, που κυμαίνονται από τα φαινόμενα τήξης έως την ανάπτυξη των κρυστάλλων.
Πέρα από τις συνέπειες για τη θεμελιώδη επιστήμη, η έρευνα αυτή έχει ευκολότερες επιπτώσεις σε τομείς όπως η επεξεργασία υλικών, η μεταλλουργία και ακόμη και η βιολογία. Για παράδειγμα, ο έλεγχος του ρυθμού μεταβάσεων φάσης είναι κρίσιμος για τις διαδικασίες παραγωγής που περιλαμβάνουν τήξη και στερεοποίηση των υλικών. Με την εξάπλωση της υποκείμενης δυναμικής, οι ανακαλύψεις μπορούν να επιτευχθούν στην ανάπτυξη βελτιωμένων υλικών με προσαρμοσμένες ιδιότητες, ενδεχομένως επανάσταση στις βιομηχανίες.
Επιπλέον, όπως προτείνει ο καθηγητής Botha, η μελέτη μεταβάσεων φάσης μπορεί επίσης να ρίξει φως στα φαινόμενα πέρα από τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Φαινόμενα όπως μεταβάσεις γυαλιού και ακόμη και μεταβάσεις βιολογικής φάσης, που παρατηρούνται σε σύνθετα συστήματα όπως τα κύτταρα, μπορεί να μοιράζονται ομοιότητες με αυτές τις θεμελιώδεις δυναμικές τήξης. Η προσπάθεια κατανόησης των μεταβάσεων φάσης, φαίνεται, φτάνει πολύ πέρα από τη μετάβαση στερεού υγρού στον χαλκό, ανοίγοντας δρόμους για πρωτοποριακές αποκαλύψεις σε όλο το επιστημονικό φάσμα.
