Hoe vaste stof smelt? De Amerikaanse promovendus Ahmed Alsayed (Universiteit van Pennsylvania) was niet tevreden met de bekende details en ging op onderzoek uit. Alsayed bouwde een metaalrooster na met colloïden, stofjes van een miljoenste meter groot. Daarmee toonde hij aan dat de gebruikelijke theorie van smeltgedrag klopt: een stof wordt het eerst vloeibaar bij onregelmatigheden in zijn atoomrooster. Van daaruit smelt de rest van het materiaal. Alsayed publiceerde zijn vinding in het blad Science.

Iedereen heeft weleens ijs zien smelten, maar hoe dat proces precies verloopt is onbekend. Alsayed’s mede-auteur Arjun Yodh, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit Pennsylvania: “De grove lijn kennen we wel: als een materiaal opwarmt, gaan de atomen erin steeds meer bewegen tot ze van elkaar loskomen en de vaste stof smelt. Dat beeld klopt wel, maar de werkelijkheid is veel ingewikkelder.”

Colloïden-oplossing van Ahmed Alsayed. De deeltjes zijn een micrometer groot in koude toestand en liggen dan strak tegen elkaar aan. Tussen de colloïden in zit een normale vloeistof. Als Alsayed het materiaal verwarmt, krimpen de colloïden en kunnen ze rondzweven in de omringende vloeistof; het rooster van de colloïden smelt het eerst op plekken waar het rooster foutjes bevat. bron: Universiteit van Pennsylvania. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Colloïden

In zijn onderzoek maakte Alsayed gebruik van colloïden, kleine deeltjes van een micrometer groot. Omdat ze bijna tienduizend keer groter zijn dan atomen, zijn ze veel makkelijker te volgen. Een normale microscoop is al voldoende om hun beweging vast te leggen. Als je colloïden laat zweven in een vloeistof, krijg je een prachtig model van echte atomen: de manier waarop ze en masse bewegen, smelten en stollen is een vertraagde en uitvergrote versie van echt atoomgedrag. Colloïdenonderzoek is dan ook erg populair onder natuur- en scheikundigen.

Alsayed’s colloïden liggen bij lage temperaturen ze strak tegen elkaar aan en vormen dan een model van een vaste stof. Tussen de colloïden in zit een normale vloeistof. De meeste atomen liggen in nette rijen, maar soms sluiten die niet op elkaar aan: foutjes in het "atoom"rooster. Als Alsayed zijn opstelling verwarmt, krimpen de colloïden tot 50% en kunnen ze rondzweven in de omringende vloeistof; dat komt overeen met het verbreken van atomaire bindingen in een atoomrooster. Het nette rooster van de colloïden smelt het eerst op plekken waar het rooster foutjes bevat.

“Er zijn plaatsen waar het materiaal al smelt onder het normale smeltpunt”, legt Alsayed verder uit. “Dat zagen we het eerst een beweging langs de fouten in het rooster van colloïden. We verwachten dat ook in normale kristallen zulke vloeibare stukjes zitten.”

Yodh denkt dat het onderzoek van zijn promovendus ooit praktisch nut zal hebben: “we hopen dat we hierdoor leren hoe we sterke materialen kunnen maken die pas bij hoge temperatuur smelten.”