Si calienta un material sólido lo suficiente, la energía térmica calor latente hace que las moléculas del material comiencen a separarse, formando un líquido. Uno de los ejemplos más familiares de esta transición de fase de un sólido bien ordenado a uno menos ordenadoEl estado líquido es hielo convirtiéndose en agua.
Aunque la fusión es un proceso fundamental de la materia, los científicos no han podido entender completamente cómo funciona a nivel microscópico, debido a la falta de capacidades de investigación con suficiente resolución temporal. Sin embargo, el advenimiento de los rayos X de electrones libresLos láseres XFEL en la última década están haciendo posible el estudio del mecanismo de fusión, así como otras dinámicas ultrarrápidas a escala atómica. Estos instrumentos utilizan electrones libres no unidos para generar pulsos de femtosegundos un cuadrillonésimo de segundode luz en la región de energía de rayos X. En comparación con los sincrotrones de rayos X, los XFEL tienen pulsos de rayos X de una duración mucho más corta y mayor intensidad.
Ahora, un equipo de científicos internacionales ha utilizado uno de estos instrumentos, el Pohang Accelerator Laboratory XFEL PAL-XFEL en Corea del Sur para controlar la fusión de las películas de oro con un espesor de nanómetros formadas por muchos cristales muy pequeñosorientados en varias direcciones. Utilizaron un pulso ultracorto de rayos X "sonda" para controlar los cambios estructurales después de la excitación de estas películas delgadas de oro policristalino por un láser de femtosegundo "bomba", que induce la fusión.el pulso de rayos golpea el oro, el haz de rayos X se difracta en un patrón que es característico de la estructura cristalina del material. Al recopilar imágenes de difracción de rayos X en diferentes demoras de la sonda de la bomba en escalas de picosegundos una billonésima de segundo, pudieron tomar "instantáneas" cuando la fusión comenzó y progresó en las películas delgadas de oro. Los cambios en los patrones de difracción con el tiempo revelaron la dinámica del desorden de los cristales. Los científicos seleccionaron el oro para este estudio porque difracta mucho los rayos Xfuertemente y tiene una transición bien definida de sólido a líquido.
Los patrones de difracción de rayos X revelaron que la fusión no es homogénea no uniforme. En un artículo publicado en línea en la edición del 17 de enero de Avances científicos , los científicos propusieron que esta fusión probablemente se origina en las interfaces donde los cristales de diferentes orientaciones se encuentran imperfecciones llamadas límites de grano y luego se propaga a las pequeñas regiones cristalinas granos. En otras palabras, los límites de grano comienzan a derretirse antes que el resto deel cristal
"Los científicos creían que la fusión en materiales policristalinos ocurre preferentemente en superficies e interfaces, pero antes de XFEL la progresión de la fusión en función del tiempo era desconocida", dijo el co-autor correspondiente Ian Robinson, líder del Grupo de dispersión de rayos X enla División de Ciencia de Materiales y Física de la Materia Condensada CMPMS en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE. "Se sabía que el láser genera electrones" calientes "energéticos, que causan fusión cuando transfieren su energía alcristal. La idea de que este proceso de transferencia de energía ocurre preferentemente en los límites de grano y, por lo tanto, no es uniforme, nunca se ha propuesto hasta ahora ".
"Es importante considerar el mecanismo de fusión inducida por láser para el micromecanizado de piezas de precisión utilizadas en la industria aeroespacial, automotriz y otras", agregó el primer autor Tadesse Assefa, un postdoc en el grupo de Robinson. "La forma en que el láser se acopla alel material es diferente según la duración del pulso del láser. Por ejemplo, los pulsos ultracortos de los láseres de femtosegundo parecen ser mejores que los pulsos más largos de los láseres de nanosegundos para realizar cortes limpios, como perforar agujeros ".
Para su experimento, los científicos primero fabricaron películas delgadas de espesor variable 50, 100 y 300 nanómetros en el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven. Aquí, en el CFNInstalación de nanofabricación, realizaron evaporación por haz de electrones, una técnica de deposición que utiliza electrones para condensar el material deseado en un sustrato. El ambiente ultra limpio de esta instalación les permitió crear películas de oro de espesor uniforme en un área de muestra grande.
En PAL-XFEL, realizaron difracción de rayos X resuelta en el tiempo en estas películas en un rango de niveles de potencia láser. El software desarrollado por el personal de la Iniciativa de Ciencias Computacionales de Brookhaven Lab manejó el análisis de alto rendimiento de los terabytes de datos generados comoun detector recolectó las imágenes del patrón de difracción. Luego, el equipo utilizó un software desarrollado por científicos de Columbia Engineering para convertir estas imágenes en gráficos lineales.
Las gráficas revelaron un pico doble correspondiente a una región "caliente" en proceso de fusión pico intermedio y una región relativamente "fría" el resto del cristal que aún no ha recibido el calor latente de fusión. Mediante el acoplamiento de electrones,el calor va a los límites de los granos y luego conduce a los granos. Esta absorción de calor latente da como resultado una banda de material de fusión intercalada entre dos frentes de fusión en movimiento. Con el tiempo, esta banda se hace más grande.
"Un frente de fusión se encuentra entre una región sólida y de fusión, y el otro entre una región líquida y de fusión", explicó Robinson.
Luego, el equipo planea confirmar su modelo de dos frentes reduciendo el tamaño de los granos aumentando así el número de límites de grano para que puedan llegar al final del proceso de fusión. Debido a que la fusión ocurre como una ola que atraviesa el cristalgranos a una velocidad relativamente lenta 30 metros por segundo, se tarda más que el rango de tiempo del instrumento 500 picosegundos para cruzar granos grandes.
También les gustaría mirar otros metales, aleaciones mezclas de varios metales o un metal combinado con otros elementos y materiales catalíticamente relevantes, en los que los límites de grano están involucrados en reacciones químicas.
"Este estudio representa el comienzo de cómo construimos una comprensión del mecanismo de fusión", dijo Assefa. "Al realizar estos experimentos con diferentes materiales, podremos determinar si nuestro modelo es generalizable".
Las otras instituciones colaboradoras son University College London, Sogang University y Pohang University of Science and Technology.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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