Physik: Oberfläche hält Goldtropfen länger flüssig
© fotolia / Ded Pixto (Ausschnitt)
Die Temperatur, an der ein Stoff gefriert oder schmilzt, ist spezifisch für ihn – so spezifisch, dass Chemiker sie benutzen, um Stoffe zu identifizieren oder sogar ihre Reinheit zu bestimmen. Verkompliziert wird das allerdings dadurch, dass die Gefriertemperatur einer Flüssigkeit auch von der Oberfläche abhängt, auf der sie sich befindet. Dafür haben Forscher jetzt ein erstaunliches Beispiel gefunden: Ein Gemisch aus Silizium und Gold bleibt bis zu 360 Grad unterhalb seines Schmelzpunkts flüssig – dank des Einflusses von festem Silizium.
Der Untersuchungsgegenstand des Teams um Tobias Schülli vom Institut Nanosciences et Cryogénie in Grenoble sind die Phasenübergänge in etwa 200 Nanometer großen Gold-Clustern auf Siliziumoberflächen. Beim Erhitzen dieser Nanostrukturen löst sich Silizium im Gold, bis das eutektische Mischungsverhältnis erreicht ist – die Zusammensetzung, bei der das System den niedrigsten Schmelzpunkt hat – und der Cluster bei 636 Kelvin schmilzt. Doch als die Forscher den winzigen Tropfen wieder abkühlten, erstarrte er keineswegs wie erwartet bei 636 Kelvin, sondern blieb weiterhin flüssig, je nach Oberfläche bis hinab zu 513 Kelvin. Erstaunlicherweise lässt sich dieser Zyklus beliebig oft wiederholen.
Dass Metalle unterkühlte Flüssigkeiten bilden, ist nicht neu. Wissenschaftler vermuten, dass bestimmte Oberflächen flüssigen Metallen eine symmetrische dichte Anordnung aufzwingen, die die Entstehung des Kristallgitters unterbindet. Die französischen Forscher demonstrierten diesen Effekt nun, indem sie den Erstarrungspunkt abhängig von der Oberfläche bestimmten. Je nachdem welche Kristallfläche die Wissenschaftler wählten, erstarrte die unterkühlte Flüssigkeit entweder bei 573 Kelvin oder aber bei 513 Kelvin – 120 Grad unterhalb des Schmelzpunkts.
Als Ursache identifizierten die Forscher die Struktur der Grenzschicht zwischen Metall und Flüssigkeit – dort bildeten die Goldatome eine Schicht aus symmetrischen, aber nichtperiodischen pentagonalen Strukturen, die offenbar die Bildung des Festkörpers verhindert, auch wenn die Temperatur weiter absinkt. Der Effekt ist umso beeindruckender, als sich beim Abkühlen die Zusammensetzung des Gemisches weiter verändert – nach und nach frieren Siliziumatome aus, so dass der Cluster etwas mit Gold angereichert wird. Der Schmelzpunkt eines Gemisches dieser Zusammensetzung liegt sogar 360 Grad höher als sein Erstarrungspunkt. (lf)
Der Untersuchungsgegenstand des Teams um Tobias Schülli vom Institut Nanosciences et Cryogénie in Grenoble sind die Phasenübergänge in etwa 200 Nanometer großen Gold-Clustern auf Siliziumoberflächen. Beim Erhitzen dieser Nanostrukturen löst sich Silizium im Gold, bis das eutektische Mischungsverhältnis erreicht ist – die Zusammensetzung, bei der das System den niedrigsten Schmelzpunkt hat – und der Cluster bei 636 Kelvin schmilzt. Doch als die Forscher den winzigen Tropfen wieder abkühlten, erstarrte er keineswegs wie erwartet bei 636 Kelvin, sondern blieb weiterhin flüssig, je nach Oberfläche bis hinab zu 513 Kelvin. Erstaunlicherweise lässt sich dieser Zyklus beliebig oft wiederholen.
Dass Metalle unterkühlte Flüssigkeiten bilden, ist nicht neu. Wissenschaftler vermuten, dass bestimmte Oberflächen flüssigen Metallen eine symmetrische dichte Anordnung aufzwingen, die die Entstehung des Kristallgitters unterbindet. Die französischen Forscher demonstrierten diesen Effekt nun, indem sie den Erstarrungspunkt abhängig von der Oberfläche bestimmten. Je nachdem welche Kristallfläche die Wissenschaftler wählten, erstarrte die unterkühlte Flüssigkeit entweder bei 573 Kelvin oder aber bei 513 Kelvin – 120 Grad unterhalb des Schmelzpunkts.
Als Ursache identifizierten die Forscher die Struktur der Grenzschicht zwischen Metall und Flüssigkeit – dort bildeten die Goldatome eine Schicht aus symmetrischen, aber nichtperiodischen pentagonalen Strukturen, die offenbar die Bildung des Festkörpers verhindert, auch wenn die Temperatur weiter absinkt. Der Effekt ist umso beeindruckender, als sich beim Abkühlen die Zusammensetzung des Gemisches weiter verändert – nach und nach frieren Siliziumatome aus, so dass der Cluster etwas mit Gold angereichert wird. Der Schmelzpunkt eines Gemisches dieser Zusammensetzung liegt sogar 360 Grad höher als sein Erstarrungspunkt. (lf)
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