物理学者は、ペンシルベニア大学の研究者によって開発された新しい理論のおかげで、氷や金属などの材料が加熱されたときに溶ける理由を理解することに近い。
名誉あるジャーナルサイエンスに掲載された画期的な作品は、何世紀にもわたって科学者を困惑させてきた基本的な謎に光を当てています。
気候変動からスマートフォンのような電子デバイスの機能に至るまで、原子スケールでの融解を理解することが不可欠です。
溶ける謎
氷を暖かい部屋に置き、それをゆっくりと観察することは液体の水に変身することを想像してください。
原子レベルでは、このプロセスには、氷の秩序ある結晶構造がより障害のある液体状態への再配置が含まれます。暖かい部屋から供給される熱エネルギーは、結晶の位置に固定された原子または分子を保持する力を克服するために必要なナッジを提供し、互いに自由に流れることができます。
科学者たちは、このプロセスの詳細な理解を長い間求めてきました。これは、融解を引き起こすために必要な特定の条件を説明する説明です。たとえば、氷のような金属がはるかに高い温度で溶けているのに対し、なぜ氷が特定の温度で溶けるのですか？
答えは、原子間結合の強さにあります。原子または分子を固体で一緒に保持する力です。
固体では、これらの力は原子を所定の位置に保持するのに十分な強さであり、通常の結晶構造を形成します。温度が上昇すると、エネルギーが追加されると、原子がより激しく振動し、これらの結合を徐々に弱めます。
振動エネルギーが結合の強度を超えると、結晶構造が崩壊し、材料が溶け、固体から液体状態に移行します。
新しい理論と大規模な原子
この一般的な融解の理解はしばらく存在していましたが、科学者は、異なる材料の融解温度を正確に予測できる正確な理論を開発するのに苦労してきました。
原子間結合の強度は、材料自体だけでなく、原子が結晶格子にどのように配置されるかの複雑な詳細にも依存するため、問題が発生します。理論的に取り組む複雑な問題です。
ペンの物理天文学省の助教授であるグレゴリー・G・バーバ博士が率いるチームによって策定された新しい理論は、新しいアプローチを導入することによりこの複雑さを避けます。
「私たちの理論は、ソフトコロイドと呼ばれる珍しいクラスの素材に触発されています」とバルバは言います。 「それらは、通常の原子よりも数百倍大きい直径を持つスーパーサイズの原子のようなものです。」
これらの柔らかいコロイドでは、粒子間で作用する力は、従来の材料よりも単純な方法で動作し、研究と理解を容易にします。
これらの巨大な粒子がどのように相互作用して融解するかを分析することにより、研究者は重要な洞察を得て、融解の一般的な理論を開発するために適用しました。
彼らの理論は、「有効な温度」の概念にかかっています。これは、結晶格子内でどれほど強く原子が振動するかの尺度です。
材料の有効温度が臨界値を超えると、原子間結合は結晶構造を一緒に保持できず、融解につながります。
「私たちの理論は、融解プロセスの正確な数学的説明を提供します」とバルバは言います。
「それにより、それらの間の力の強度や範囲など、原子相互作用のいくつかの重要な特性を考慮することにより、さまざまな材料の融解温度を予測することができます。」
融解金属
研究者は、単純な結晶から複雑な金属まで、さまざまな材料の融解挙動を分析することにより、理論をテストしました。彼らは、理論的予測と実験的測定との間に優れた一致を見出しました。
「私たちの研究は、多様な材料の融解挙動が共通の根本原則を通して理解できることを明らかにしています」とバルバは言います。
「この原則のロックを解除することで、材料が溶ける理由と、潜在的に、それらの特性を操作する方法について、より基本的な理解を得ることができます。」
意味と将来の方向
研究者は、特定の技術的ニーズに合わせて調整された融解特性を備えた新しい材料の設計など、自分の仕事が多数のアプリケーションへの道を開くことができると考えています。
たとえば、彼らの発見は、航空宇宙成分や原子炉などの極端な環境で使用するために、より高い融点を持つ材料の開発に役立ちます。
バルバと彼の同僚は、彼らの理論をさらに洗練し、それを拡張して、混合物の挙動や融解に対する圧力の影響など、より複雑な融解現象を研究することを計画しています。
「私たちの仕事は、材料科学の分野での探検の新しい道を開きます」とバルバは言います。
「融解の背後にある基本的なメカニズムを解明することにより、材料の設計と工学に大きな進歩を遂げる態勢が整っています。」
