Zebrastrepen, luipaardvlekken en andere patronen op de huid van bevroren metaallegeringen die de conventionele metallurgie trotseren

Hoewel het fascinerend is dat levende wezens verschillende patronen op hun huid ontwikkelen, is wat misschien nog mysterieuzer is hun opvallende gelijkenis met de huid van bevroren vloeibare metalen.

Patroonvorming is een klassiek voorbeeld van een van de wonderen van de natuur waar wetenschappers al eeuwenlang over nagedacht hebben. Rond 1952 bedacht de beroemde wiskundige Alan Turing (vader van moderne computers) een conceptueel model om het patroonvormingsproces van een systeem met twee stoffen te verklaren. Dergelijke patronen worden daarna ook Turing-patronen genoemd.

Patroonvorming wordt ook vaak toegepast door door de mens gemaakte systemen en dit geldt vooral op het gebied van metallurgie. Het heeft zelfs een subveld genaamd “metallografie”, dat gespecialiseerd is in de studie van microschaalpatronen en samenstellingen van metalen en legeringen. Als u een uit meerdere componenten bestaande legering uit elkaar klikt en de dwarsdoorsneden bekijkt, is de kans groot dat u afwisselende strepen of uitgelijnde plekken van verschillende metalen componenten ziet, net als een microscopisch kleine versie van de patronen op de huid van een zebra of luipaard. Ondanks de eeuwenoude kennis over de kern van vloeibare metaallegeringen en hun stollingspatronen in bulk, is het verschijnsel van de vorming van oppervlaktepatronen tot nu toe lang over het hoofd gezien.

In een werk gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologieontdekten onderzoekers van de University of New South Wales (UNSW) Sydney en hun medewerkers van de University of Auckland (het MacDiarmid Institute), RMIT en UCLA dat er diverse soorten patronen voorkomen op het oppervlak van gestolde metaallegeringen. Het team gebruikte tweecomponenten metaalmengsels, zoals legeringen op galliumbasis die kleine hoeveelheden bismut bevatten. Deze legeringen smelten gemakkelijk in de hand en maken zo experimentele observatie en controle gemakkelijk.

“We konden het stollingsproces van het oppervlak onder een gewone optische microscoop observeren en ik was verbaasd toen ik voor het eerst een stollingsfront op het oppervlak van vloeibaar metaal zag dat er vaste patronen achter creëerde ”, zei Dr. Jianbo Tang, de belangrijkste auteur van het werk. “Je kunt je het tafereel voorstellen van een gletsjer die over het oceaanoppervlak beweegt, maar alles wat onder onze microscoop te zien is, is van metaal en microscopisch klein.” Voegde Dr. Tang eraan toe.

Om de fijnere details van de metalen gletsjer te zien, werd elektronenmicroscopie gebruikt en de onderzoekers observeerden een caleidoscoop van zeer geordende patronen, waaronder afwisselende strepen, gebogen vezels, puntarrays en enkele exotische streep-punt-hybriden. Verrassend genoeg ontdekte het team dat, wanneer deze patronen worden gevormd, de overvloed van het element bismut met lage concentratie aan het oppervlakgebied veel groter was. Een dergelijke oppervlakteverrijking die in deze studie wordt gevonden, tart conventionele metallurgische opvattingen.

De onderzoekers brachten de magie achter dit nieuw waargenomen stollingsfenomeen in verband met de unieke oppervlaktestructuren van vloeibare metalen en gebruikten ook supercomputers om het proces te simuleren. In hun computersimulaties werd waargenomen dat de kleine bismut-atomen, die schijnbaar willekeurig rondbewogen in een zee van galliumatomen, zich ophopen op het oppervlak van de legering.

“Dit voorheen genegeerde fenomeen van oppervlaktestolling verbetert ons fundamentele begrip van vloeibare metaallegeringen en hun faseovergangsprocessen. Bovendien kan dit autonome oppervlakteproces worden gebruikt als een patroonhulpmiddel voor het ontwerpen van metalen structuren en het maken van apparaten voor geavanceerde toepassingen in toekomstige elektronica en optica. . ” zei Prof. Kourosh Kalantar-Zadeh, een corresponderende auteur van de studie.