Nopea jähmettyminen saa aineen rätisemään

Uusi malli auttaa ymmärtämään muun muassa metallien valmistuksessa syntyviä virheitä.

Laskennallinen tiheyskenttä näyttää pyöreänmuotoisen kiinteän kiteen, joka on eri asennossa suhteessa ympäröivään kiinteään aineeseen. Reunalla näkyvät siniset alueet ovat asentojen erosta johtuvia hilavirheitä, joista yksi on suurennettu näyttämään virhe hilan jaksollisessa rakenteessa.

Miltä kuulostaa se, kun neste muuttuu kiinteäksi hyvin nopeasti?

Aalto-yliopiston laskennallisen nanotieteen huippuyksikön tutkijat ovat yhdessä Brown Universityn ja University of California, Irvinen kollegoidensa kanssa kehittäneet teorian, joka vastaa kysymykseen yhdistämällä ensimmäistä kertaa ymmärryksen kiinteän aineen värähtelystä ja nesteen mikroskooppitason jähmettymisestä. Tulokset julkaistiin tammikuussa arvostetussa Physival Review Letters -tiedejulkaisussa.

– Aikaisemmat teoriat ovat keskittyneet hitaaseen jähmettymiseen. Se on käytännössä diffuusiota, jossa atomien liike on hidasta ja sattumanvaraista. Nopeassa jähmettymisessä atomit eivät enää liiku ainoastaan satunnaisesti, vaan reaktio on ikään kuin ne olisi puristettu kasaan. Puristuksen lauetessa syntyvä ääniaalto on se, jonka meidän mallimme pystyy ennustamaan, tohtorikoulutettava Vili Heinonen kuvailee.

Yleensä neste muuttuu kiinteäksi niin hitaasti, ettei ääntä synny laisinkaan. Kun prosessi on nopea, kuten alijäähtyneen veden jäätyessä, aineen hilarakenteeseen syntyy suuria virheitä, joiden laukeamisesta syntyvä aalto muistuttaa Vili Heinosen mukaan eräänlaista rätinää. Ihmiskorva ei käytännössä ääntä havaitse, sillä luonnossa esiintyvät alijäähtyneet nesteet ovat pieniä pisaroita.

Ymmärtämällä näitä virheitä ymmärrämme myös paremmin, miksi tietyissä lämpötiloissa valmistetuista metalleista tulee tietynlaisia.

Rätinän lisäksi malli kertoo paljon muutakin.

– Se auttaa ymmärtämään ja ennustamaan niitä virheitä, joita aineisiin – erityisesti metalleihin – syntyy jähmettymisessä. Aineissa on usein myös erilaisia rajapintoja, jotka eivät aina sovi yhteen. Ymmärtämällä näitä virheitä ymmärrämme myös paremmin, miksi tietyissä lämpötiloissa valmistetuista metalleista tulee tietynlaisia – ja voisimmeko sille tehdä jotain, Heinonen selittää.

Tutkijat osoittivat mallin toimivuuden analysoimalla värähtelyitä teoreettisesti ja laskennallisesti. Laskennallisessa kokeessa mallia verrattiin aikaisempien teorioiden antamiin ennusteisiin ja osoitettiin, että uuden teorian ominaisuudet ovat ehdottoman tärkeitä, kun halutaan ymmärtää, miten esimerkiksi metallien mikroskooppinen rakenne muuttuu korkeassa lämpötilassa. Metallien valmistusprosessin kontrolloinnin lisäksi näiden asioiden ymmärtäminen voisi tulevaisuudessa mahdollistaa halvan tavan valmistaa älykkäitä nanorakenteita.

Lisätietoja:

Tohtorikoulutettava Vili Heinonen
Puh. 050 433 2834
[email protected]

Consistent Hydrodynamics for Phase Field Crystals
V. Heinonen, C. V. Achim, J. M. Kosterlitz, See-Chen Ying, J. Lowengrub, and T. Ala-Nissila

Linkki julkaisuun (journals.aps.org)

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Solar map
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Revontulet ovat näkyvin merkki Auringon aktiivisuudesta – ja muita faktoja meitä lähinnä olevasta tähdestä

Aalto-yliopiston Metsähovin radiotutkimusasemalla Aurinkoa on tutkittu yli 40 vuoden ajan. Havainnoista muodostetaan Auringon radiokarttoja, joista tutkijat näkevät muun muassa sen, miten aktiivinen Aurinko kulloinkin on.
Shimmering Wood-based Structural Colour by Noora Yau. Photo Eeva Suorlahti
Yhteistyö, Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Aalto-yliopisto esittelee kuusi biomateriaalikonseptia Dutch Design Weekillä

CHEMARTS-näyttelyssä on esillä mielenkiintoisia prototyyppejä, jotka ovat myrkyttömiä, kierrätettäviä eikä niistä irtoa mikromuoveja.
A computer rendering of a quantum knot, which appears as 4 large peaks tied together at the middle
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijat onnistuivat havaitsemaan kvanttisolmujen purkautumisen

Jos kvanttisolmuja ei saada stabiloitua, ne tulee hyödyntää nopeasti ennen hajoamista.
Elias Rantapuska
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Elias Rantapuska: Elämä heittelee myös sijoittajaa

Rahoituksen professori tietää, ettei omien rahojen sijoittaminen ole vain rationaalista toimintaa. Tervetuloa kuulemaan lisää 30. lokakuuta Installation Talks -tapahtumaan!