Nieuw zicht op smeltgedrag

Internationaal onderzoek van belang voor metallurgie, geologie en meteorologie

14 maart 2016

Met behulp van een modelsysteem van kleine plastic bolletjes hebben onderzoekers uit Hong Kong en Amsterdam het smeltgedrag van materialen tot op atomair niveau kunnen bestuderen. Hun onderzoek leidde tot nieuwe inzichten over de relatie tussen smeltprocessen aan het oppervlak en dieper in het materiaal. Ze publiceren hun resultaten deze week op de website van Nature.

Schaatsen, de beweging van gletsjers en de groei van sneeuwvlokken zijn maar een paar voorbeelden van alledaagse processen die afhangen van `oppervlakte-smelten` (in het Engels: surface premelting). Dit refereert aan het verschijnsel dat aan het oppervlak van een vaste stof een dun laagje vloeistof kan bestaan, zelfs beneden het vriespunt van de stof in kwestie. Dit zorgt er bijvoorbeeld voor dat je in strenge vrieskou twee ijsblokjes aan elkaar kunt plakken: het dunne waterlaagje aan het oppervlak raakt dan opgesloten tussen de blokjes en bevriest meteen.

Oppervlakte-smelten komt voor bij allerlei vaste stoffen en speelt onder andere een belangrijke rol bij kristallisatieprocessen. Het is een belangrijk fenomeen in uiteenlopende vakgebieden als metallurgie, geologie en meteorologie.

Zesduizend bolletjes

Surface premelting

Beeld: HKUST.

Om inzicht te krijgen in de atomaire achtergronden van het oppervlakte-smelten ontwierpen onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) onder leiding van dr. Yilong Han een modelsysteem, met micrometerkleine plastic bolletjes tussen twee glasplaten. Aangezien de temperatuur van invloed is op de onderlinge aantrekkingskracht tussen de bolletjes, konden ze daarmee smeltprocessen in het modelsysteem simuleren. Bij hun experimenten veranderden ze de temperatuur in kleine stapjes en brachten bij iedere stap de beweging van zo`n zesduizend bolletjes in kaart.

De verkregen gegevens werden vervolgens geanalyseerd met behulp van computermodellen voor single particle dynamics. UvA onderzoeker dr. Ran Ni, postdoc bij de groep voor Computational Physics and Chemistry Group bij het Van `t Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS), droeg aan het onderzoek bij met zulke data-analyse en met de interpretatie van de resultaten.

Verrassende effecten

De onderzoekers stelden vast dat hun modelsysteem geschikt is voor het bestuderen van de oppervlaktefysica van kristallen. Bovendien kwamen ze enkele verrassende effecten op het spoor. Zo bleek - in tegenstelling tot wat doorgaans wordt aangenomen - het oppervlakte-smeltgedrag niet los te staan van smeltprocessen dieper in de `bulk` van het kristal. Het ontstaan van zogenaamde korrelgrenzen tussen verschillende delen van het kristal bleek bij het smelten een belangrijke rol te spelen. De resultaten van het onderzoek vormen een uitdaging voor de bestaande theorie van oppervlakte-smelten, aldus Ran Ni.

Publicatie

Bo Li, Feng Wang, Di Zhou, Yi Peng, Ran Ni & Yilong Han: Modes of surface premelting in colloidal crystals composed of attractive particles. Nature AOP 14 March 2016 doi:10.1038/nature16987

* Bekijk de publicatie online

Het onderzoek van Ran Ni werd gefinancierd met zijn VENI beurs van NWO. Inmiddels is hij verhuisd naar Nanyang Technological University in Singapore om daar een nieuwe onderzoeksgroep op te zetten bij de School of Chemical and Biomedical Engineering, op het gebied van Computational Soft Matter Physics.

Gepubliceerd door HIMS