قطرات صغيرة تجمد بشكل مختلف عن تلك الكبيرة

أصغر ماصة في العالم يحتوي على معلومات مذهلة حول تبلور المعادن السائلة

ماصة Zeptoliter مع قطرات الجرمانيوم الذهب. الانخفاض الفعلي لأول مرة من خلال ثقب صغير في قذيفة الكربون من ماصة. © مختبر بروكهافن الوطني
قراءة بصوت عال

ربما أصغر ماصة في العالم ، اكتسب الباحثون الأمريكيون رؤى جديدة مهمة في سلوك قطرات معدنية صغيرة عند تجميدها. كما جاءوا الآن في مجلة Nature Materials ، اتضح أن القطرات الصغيرة البالغة تريليون لتر من القطرات الصغيرة تتصرف بشكل مختلف تمامًا في مثل هذه المرحلة الانتقالية عن نظيراتها الأكبر.

ويطلق على الذوبان والبلورة تحولات الطور - وهي عمليات أساسية تتغير فيها المواد بين الحالة السائلة الفوضوية والحالة الصلبة المطلوبة ، مثل الجليد. عندما يتم تبريد السائل ، فإن حركة جزيئاته تتباطأ حتى تتوقف. بالنسبة إلى القطرات الأكبر ، يبدأ هذا التبلور عادةً عند بذرة ، ملوث صغير مثل بقعة من الغبار أو ما شابه ، ثم ينتشر بسرعة على كامل القطرة. ومع ذلك ، تفتقر المواد النقية جدًا إلى هذه الجرثومة ، وبالتالي تتبلور فقط بصعوبة.

مليار من تريليون من لتر ...

"إن نظرية التبلور الحالية ، التي تم تطويرها في النصف الأول من القرن الماضي ، تتوقع أن انتقال المرحلة دون شوائب يبدأ من نواة صلبة مكونة عشوائيًا داخل القطرة" ، يوضح إيلي سوتر من مختبر بروكهافن الوطني بالولايات المتحدة الأمريكية. "تجاربنا على قطرات صغيرة جدا تمثل تحديا لهذه النظرية."

لدراسة عملية التجميد على نطاق صغير جدًا ، استخدم Sutter وزملاؤه أصغر ماصة في العالم: أداة صغيرة تسمح لهم بإنتاج قطرات سائلة من سبيكة من الذهب والجرمانيوم تنتج فقط بضعة أعشار لتر - مليار واحد من تريليون من لتر مقدرة. يتم تبريد القطيرات التي تم تعليقها بواسطة ماصة في الجزء الداخلي من المجهر الإلكتروني ، بحيث يمكن تسجيل العمليات أثناء التجميد بتضخيم عالٍ.

أول علامات التجميد على السطح بدلاً من الداخل

للبقاء على السوائل ، يجب أن تبقى قطرات صغيرة في أكثر من 350 درجة مئوية. عندما تم تخفيض درجات الحرارة ببطء إلى 305 درجة ، لاحظ الباحثون أشياء مذهلة: حيث طورت القطرات السائلة جوانب سطحية ، مسطّحة ، مسطّحة على الهياكل الكروية الأخرى. لا تظل هذه الأوجه ثابتة ولكن "ترقص" على السطح - لساعات إذا لم تنخفض درجة الحرارة أكثر من ذلك. عندها فقط يصل القالب إلى كتلة صلبة. عرض

يقول سوتر: "في تجاربنا ، تتطور الخصائص الشبيهة بالصلبة أولاً كجلد على السطح ، في حين يبقى الجزء الداخلي سائلاً" وهكذا ، فإن نتيجة التجارب تتناقض بوضوح مع النظرية الشائعة حتى الآن والتي وفقًا لذلك تبدأ العملية داخليًا. وفقًا للباحثين ، من الواضح أن حجم الهبوط يلعب دورًا حاسمًا في تحديد أين يبدأ التبلور.

توفر النتائج الجديدة الأساس لفهم أفضل لعملية التجميد في البيئة الطبيعية والسياقات النانوية على حد سواء. على سبيل المثال ، يلعبون دورًا في السحب في الجو العلوي ، ويتكون كل من الماء والجليد. إن معرفة تحولات الطور في هذه السحب يمكن أن تحسن بشكل حاسم دور وسلوك هذه السحب لتغير المناخ.

(DOE / Brookhaven National Laboratory، 16.04.2007 - NPO)