Teoria potwierdzona badaniami
Mogłoby się wydawać, że skoro topnienie materiałów krystalicznych jest jedną z najpowszechniej zachodzących przemian fazowych, polegających na przejściu ze stanu stałego w ciekły, to wiemy o tym zjawisku wszystko. Jednak tak nie jest. Naukowcy z PW pracują właśnie nad dogłębnym zbadaniem mechanizmów przemian pomiędzy fazą krystaliczną a ciekłą.
Brak ostatecznych dowodów doświadczalnych na występowanie przewidzianych teoretycznie zjawisk, takich jak inicjowane na defektach topnienie heterogeniczne oraz zachodzące homogenicznie w objętości kryształu zarodkowanie cieczy i parametry kinetyki (m.in. prędkość propagacji frontu topnienia przegrzanego kryształu) znane głównie z symulacji komputerowych – przed takimi wyzwaniami stanął zespół badawczy z PW pod kierownictwem dra hab. inż. Jerzego Antonowicza, prof. uczelni.
Celem projektu, który realizowany jest w ramach konkursu na granty badawcze Technologie Materiałowe-1, było przeprowadzenie badań nad indukowanym optycznie topnieniem palladu przy wykorzystaniu metody ultra-szybkiej, czasowo-rozdzielczej dyfrakcji rentgenowskiej z użyciem impulsów promieniowania emitowanego przez rentgenowski laser na swobodnych elektronach (X-ray free-electron laser - XFEL).
Przebieg prac
Pomiary zostały przeprowadzone w trakcie eksperymentu w European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) będącym elementem szeroko zakrojonej, trwającej od kilku lat współpracy badawczej prof. Antonowicza z grupami naukowców m.in. z Polski, Niemiec, Japonii i USA.
– XFEL emituje niezwykle krótkie, jasne i wysokoenergetyczne impulsy promieni X, które mogą być wykorzystane do pomiarów metodą pump-probe, która pozwala na badanie przemian fazowych zachodzących w niedostępnej dla konwencjonalnych metod pomiarowych skali czasowej sięgającej pikosekund – mówi prof. Jerzy Antonowicz. – W trakcie przeprowadzonych pomiarów w European XFEL cienka warstwa metalu była wzbudzana femtosekundowym impulsem optycznym, który powodował jej lokalne stopienie. Przybywający z opóźnieniem próbkujący impuls rentgenowski ulegał dyfrakcji na strukturze naświetlonego obszaru warstwy, a rozkład przestrzenny promieniowania rozproszonego rejestrowany był w postaci dwuwymiarowego dyfraktogramu – dodaje.
Pierwsze wnioski
Wstępna interpretacja wyników badań wykazała w dużej mierze zgodność z przewidywaniami teoretycznymi.
– Na podstawie ilościowej analizy danych dyfrakcyjnych określiliśmy m.in. względną zawartość faz krystalicznej i ciekłej oraz rozmiar ziaren krystalicznych na różnych etapach procesu topnienia – mówi prof. Antonowicz. – Ustaliliśmy, że proces topnienia zachodzi w trakcie około 10 ps po zaabsorbowaniu femtosekundowego impulsu optycznego. Analiza zmian średniego rozmiaru ziarna krystalicznego wykazała, że topnienie rozpoczyna się w nieuporządkowanych strukturalnie obszarach granic ziaren, a szybkość propagacji frontu topnienia sięga wartości rzędu 1000 m/s – dodaje.
Plany na przyszłość
– W najbliższej przyszłości chcemy przeprowadzić wielkoskalowe symulacje komputerowe metodą dynamiki molekularnej, by później ich wyniki skonfrontować z rezultatami eksperymentalnymi – mówi prof. Antonowicz. – Planujemy także rozszerzyć nasze badania o układy inne niż czyste metale oraz o zakresy czasu sięgające nanosekund i obejmujące przechłodzenie oraz krystalizację cieczy, a także przejście cieczy przechłodzonej w stan stały z pominięciem krystalizacji, czyli proces powstania szkła.
Skład zespołu badawczego:
Zespół badawczy zaangażowany w niniejszy projekt to, oprócz wnioskodawców z PW (dr hab. inż. Jerzy Antonowicz, profesor uczelni; mgr inż. Adam Olczak), grupa w sumie kilkudziesięciu osób zarówno z Polski (grupa prof. Ryszarda Sobierajskiego z IF PAN), jak i z ośrodków naukowych w Niemczech, USA, Wielkiej Brytanii, Holandii, Rosji i Czechach.
Artykuł został opracowany na podstawie materiałów przesłanych przez dra hab. inż. Jerzego Antonowicza, prof. uczelni.