マサチューセッツ工科大学（MIT）の科学者が率いる研究チームは、ガリウムベースの液体金属液滴を使用した実験を実施しました。液滴のサイズを正確に制御し、凝固時間を測定することにより、彼らは、より大きな液滴と比較して、より小さな液滴が著しく遅い速度で固化することを観察しました。この動作は、液滴サイズが減少するにつれてより顕著になる表面効果に起因していました。
液滴が小さい場合、表面積と体積の比率が増加し、表面エネルギーが高くなります。この過剰なエネルギーは、液滴内の結晶構造の核形成と成長を妨げる障壁として機能します。その結果、液体状態はより安定しており、固化プロセスが遅れます。
研究者はまた、液滴の凝固挙動が冷却速度の影響を受けることを発見しました。急速な冷却条件下では、液滴はガラス状の状態を形成する傾向があり、長距離の結晶の順序がありません。これは、急速な冷却により、原子が秩序ある構造に再配置するのを防ぎ、凍結液の状態をもたらすためです。
一方、冷却速度が遅くなると、液滴が表面エネルギーバリアを克服し、結晶構造を核形成するのに十分な時間を与えます。これは、固化液滴内に複数の小さな結晶が存在することを特徴とする多結晶構造の形成につながります。
この研究の結果は、材料のサイズに依存する凝固挙動に関する貴重な洞察を提供します。これらの効果を理解して制御することにより、科学者はナノスケールの材料の特性と構造を調整し、材料設計と高度な機能材料の新しい道を開きます。
