물리학 자들은 펜실베이니아 대학교 (University of Pennsylvania)의 연구원들이 개발 한 새로운 이론 덕분에 얼음과 금속과 같은 재료가 왜 녹을 때 녹는 지 이해하는 데 더 가깝습니다. .
유명한 저널 Science에 실린 획기적인 작품은 수세기 동안 과학자들을 당황시킨 근본적인 미스터리를 밝힙니다.
기후 변화에서 스마트 폰과 같은 전자 장치의 기능에 이르기까지 다양한 현상을 뒷받침하기 때문에 원자 규모의 용융을 이해하는 것은 매우 중요합니다.
용융의 수수께끼
따뜻한 방에 얼음을 놓고 천천히 액체 물로 변모하는 것을 관찰한다고 상상해보십시오. 우리가 일상 생활에서 당연한 것으로 여겨지는 현상입니다.
원자 수준에서,이 과정은 얼음의 질서 결정 구조를보다 무질서한 액체 상태로 재 배열하는 것을 포함한다. 따뜻한 공간에 의해 공급되는 열 에너지는 결정 위치에 고정 된 원자 또는 분자를 고정하는 힘을 극복하기 위해 필요한 멍청한 것을 제공하여 서로 자유롭게 흐를 수 있습니다.
과학자들은 오랫동안이 과정에 대한 자세한 이해, 즉 녹는 데 필요한 특정 조건을 설명하는 설명을 찾아 왔습니다. 예를 들어, 왜 얼음이 특정 온도에서 녹는 반면, 구리와 같은 금속이 훨씬 더 높은 온도에서 녹는가?
대답은 원자 내 결합의 강도, 즉 원자 나 분자를 고체로 함께 유지하는 힘에 있습니다.
고체에서, 이들 힘은 원자를 제자리에 고정시켜 규칙적인 결정질 구조를 형성 할 정도로 강하다. 온도가 증가함에 따라, 첨가 된 에너지는 원자가 더 격렬하게 진동하여 이러한 결합을 점차적으로 약화시킨다.
진동 에너지가 결합의 강도를 초과하면 결정 구조가 무너지고 재료가 용융되어 고체에서 액체 상태로 전환됩니다.
새로운 이론과 외계인 원자
용융에 대한 이러한 일반적인 이해는 한동안 존재했지만 과학자들은 다른 재료의 용융 온도를 정확하게 예측할 수있는 정확한 이론을 개발하기 위해 고군분투했습니다.
문제는 원 자간 결합의 강도가 물질 자체뿐만 아니라 결정 격자에서 원자가 어떻게 배열되는지에 대한 복잡한 세부 사항에 의존하기 때문에 발생합니다. 이론적으로 다루기위한 복잡한 문제입니다.
Penn 's Physics and Astronomy의 조교수 인 Gregory G. Barba 박사가 이끄는 팀이 공식화 한 새로운 이론은 새로운 접근 방식을 소개함으로써 이러한 복잡성을 측정합니다.
Barba는“우리의 이론은 소프트 콜로이드라는 특이한 종류의 재료에서 영감을 얻었습니다. "그들은 일반 원자보다 직경이 수백 배 더 큰 초대 크기의 원자와 같습니다."
이 소프트 콜로이드에서, 입자들 사이에서 작용하는 힘은 기존의 재료보다 더 간단하게 행동하여 연구하고 이해하기 쉽게 만듭니다.
이러한 거대한 입자가 상호 작용하고 녹는 방식을 분석함으로써 연구원들은 일반적인 용융 이론을 개발하기 위해 적용한 주요 통찰력을 얻었습니다.
그들의 이론은 "유효 온도"라는 개념에 달려있다.
재료의 유효 온도가 임계 값을 초과 할 때, 원 자간 결합은 더 이상 결정 구조를 함께 유지하여 용융을 초래할 수 있습니다.
Barba는“우리의 이론은 용융 과정에 대한 정확한 수학적 설명을 제공합니다.
"이를 통해 원자 상호 작용의 몇 가지 주요 특성을 고려하여 다른 재료의 용융 온도를 예측할 수 있습니다.
용융 금속
연구원들은 단순한 결정에서 복잡한 금속에 이르기까지 다양한 재료의 녹는 거동을 분석하여 이론을 테스트했습니다. 그들은 이론적 예측과 실험 측정 사이에 탁월한 일치를 발견했습니다.
Barba는“우리의 연구에 따르면 다양한 재료의 녹는 거동은 공통된 기본 원리를 통해 이해 될 수 있음을 보여줍니다.
"이 원칙을 잠금 해제함으로써 우리는 재료가 녹는 이유와 잠재적으로 속성을 조작하는 방법에 대한보다 근본적인 이해를 얻습니다."
시사점과 미래 방향
연구원들은 자신의 작업이 특정 기술 요구에 맞는 맞춤형 용융 특성을 갖춘 새로운 재료 설계를 포함하여 수많은 응용 분야의 길을 열 수 있다고 생각합니다.
예를 들어, 그들의 연구 결과는 항공 우주 성분이나 원자로와 같은 극한 환경에서 사용하기 위해 더 높은 융점을 갖는 재료의 개발에 도움이 될 수 있습니다.
Barba와 그의 동료들은 혼합물의 행동과 용융에 대한 압력의 영향을 포함하여 더 복잡한 용융 현상을 연구하기 위해 자신의 이론을 더욱 세분화하고 확장 할 계획입니다.
Barba는“우리의 작품은 재료 과학 분야에서 새로운 탐사의 길을 열어줍니다.
"녹는 기본 메커니즘을 풀어서, 우리는 재료 설계 및 엔지니어링에서 상당한 발전을 할 준비가되어 있습니다."
