Vloeibare metalen, oppervlaktepatronen en de romantiek van de drie koninkrijken

“De lang verdeelde moet zich verenigen; lang verenigd, moet verdelen. Zo is het altijd geweest.”

De openingsregels van de grote Chinese historische roman Romance of the Three Kingdoms condenseren de complexe en spectaculaire verhalen in een coherent patroon, dat wil zeggen, machtsblokken verdelen en verenigen zich cyclisch in turbulente strijdjaren.

Een goede filosofie of stelling heeft algemene implicaties. Nu, in werk gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Synthese, rapporteerden wetenschappers uit Australië, Nieuw-Zeeland en de VS een nieuw type stollingspatroon dat lijkt op de plots in de Chinese klassieker, maar dit keer verschijnt op het oppervlak van stollende vloeibare metalen.

Het team loste een kleine hoeveelheid metalen zoals zilver (Ag) op in metalen met een laag smeltpunt, zoals gallium (Ga), en onderzocht hoe de metalen componenten op elkaar inwerken en scheiden om patronen te vormen wanneer de metallische vloeibare mengsels (legeringen) stollen. .

De onderzoekers ontdekten dat een enkel zilver-galliumsysteem verschillende patronen kan produceren, zoals deeltjes of bundelachtige structuren van een Ag₂Ga verbinding.

de individuele Ag₂Ga-structuren die de patronen vormen, zijn klein, met een dikte van micrometer of nanometer, tientallen of honderden keren dunner dan een mensenhaar.

Het meest verrassend was dat de onderzoekers zagen dat de patronen zich op een herhaalde manier splitsen en verenigen. “De eerste keer dat ik zulke cyclische divergerende-convergente patronen zag, deed het me meteen denken aan de beroemde openingszinnen van de Romance of the Three Kingdoms”, zei Dr. Jianbo Tang van de University of New South Wales (UNSW, Australië), die de eerste auteur van de studie.

Patroonvorming is een fundamenteel maar alomtegenwoordig fenomeen dat wetenschappers al lange tijd interesseert en inspireert. Sommige patroontypes komen vaker voor dan andere.

Van al het verschillende patroongedrag wordt vaak divergente patroonvorming of bifurcatie in de natuur gezien, omdat deze specifieke opstelling in het algemeen de energieconversie of -distributie bevordert. “Dat wil zeggen, het is de ‘gemakkelijkste’ weg”, legt Dr. Tang uit. Riviernetwerken, boomtakken, bliksempaden en vasculaire systemen zijn allemaal voorbeelden van bifurcatie.

Ter vergelijking: convergente patroongroei, of inverse bifurcatie, komt minder vaak voor omdat het in strijd is met de energetisch gunstige bifurcatie.

De vreemde cyclische divergente en convergerende groei, oscillerende bifurcatie genaamd, is zeldzaam en is niet waargenomen in stollingsstructuren voorafgaand aan het nieuwe gepubliceerde werk.

Desondanks observeerden de onderzoekers oscillerende bifurcatiepatronen op het oppervlak van verschillende vloeibare legeringen na stolling, wat suggereert dat dit contra-intuïtieve gedrag vrij algemeen is voor stollingspatronen die zich vormen op het oppervlak van vloeibare metalen.

Analoog aan de gedramatiseerde roman waarin de turbulente krachten tussen en binnen een groot aantal machtsblokken die groepen ertoe aanzetten zich te verdelen en te verenigen, ontdekte het team dat het ook de instabiliteit van het vloeibare metalen oppervlak is die ten grondslag ligt aan de opkomst van de exotische oscillerende bifurcatiepatronen .

“De vorming van oppervlaktepatronen van vloeibare metaallegeringen is een nieuw maar opwindend onderwerp. De oppervlakte- of grensvlakaard van het proces stelt ons in staat de fundamentele faseovergang en patroonvorming beter te begrijpen en te beheersen.” Dr. Tang voegde toe: “We zullen doorgaan met ons werk aan het ontwerpen van kristallijne oppervlaktepatronen en -structuren met behulp van vloeibare metalen om geavanceerde toepassingen mogelijk te maken, zoals plasmonische detectie, zeer efficiënte elektronica en optica, en zeer nauwkeurige spectroscopie.”