Жидкие сплавы могут затвердевать с узорами, как у зебр или леопардов. Такая структура открывает новые возможности в металлургии. Исследование ученых из Сиднейского университета Нового Южного Уэльса и Оклендского университета опубликовано журнале Nature Nanotechnology.
Примерно в 1952 году знаменитый математик Алан Тьюринг разработал концептуальную модель, объясняющую процесс формирования паттернов двухкомпонентной системы. Такие паттерны в дальнейшем также называются паттернами Тьюринга.
Формирование рисунка также широко применяется в искусственных системах и промышленности, особенно в области металлургии. Существует целое направление под названием «металлография», которое специализируется на изучении микромасштабных структур и составов металлов и сплавов. Если вы разделите многокомпонентный сплав и посмотрите на его поперечные сечения, вероятно на срезе вы увидите чередующиеся полосы или совмещенные пятна разных металлических компонентов. Однако, несмотря на то, что о структуре и моделях затвердевания жидких сплавов известно давно, явление формирования их поверхностного рисунка долгое время оставалось неизученным.
Исследователи изучили, какие именно типы узоров встречаются на поверхности затвердевших металлических сплавов. Команда ученых использовала двухкомпонентные металлические смеси: сплавы на основе галлия, содержащие небольшое количество висмута. Эти сплавы легко плавятся в руке, что облегчает экспериментальное наблюдение и контроль.
«Мы могли наблюдать процесс затвердевания поверхности под обычным оптическим микроскопом, и я был удивлен, когда впервые увидел фронт затвердевания на поверхности жидкого металла, создающий за ним сплошные узоры», — рассказывает доктор Цзяньбо Тан, ведущий автор работы.
С помощью электронных микроскопов ученые изучили высокоупорядоченные узоры, включая чередующиеся полосы, изогнутые волокна, массивы точек и некоторые экзотические гибриды из полосок и точек. Исследователей удивило, что при формировании этих структур содержание висмута с низкой концентрацией в поверхностной области значительно увеличивалось. Такое поверхностное обогащение, обнаруженное в этом исследовании, противоречит традиционным представлениям в металлургии.
Исследователи связали обнаруженного явления затвердевания с уникальной структурой поверхности жидких металлов, а также использовали суперкомпьютеры для моделирования этого процесса. При компьютерном моделировании малочисленные атомы висмута, по-видимому, беспорядочно перемещающиеся в море атомов галлия, накапливались на поверхности сплава.
«Этот ранее игнорировавшийся феномен поверхностного затвердевания улучшает наше фундаментальное понимание жидких металлических сплавов и процессов их фазовых переходов. Этот автономный поверхностный процесс может использоваться в качестве инструмента для создания рисунка для проектирования металлических структур и создания устройств для передовых приложений в будущей электронике и оптике», — добавил профессор Курош Калантар-Заде, соавтор исследования.