Nopea jähmettyminen saa aineen rätisemään

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
vili.heinonen@aalto.fi

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)