El límite entre el metal sólido y el metal líquido puede ser mucho menos "sólido" de lo que jamás sospechábamos. Los investigadores del RMIT han descubierto que el límite líquido-sólido puede fluctuar hacia adelante y hacia atrás, y los átomos metálicos cerca de la superficie se liberan de su red cristalina.
Al observar una masa de aleación de metal solidificándose en un mar de metal líquido, el equipo pudo observar un fenómeno interesante, nunca antes visto:la superficie del metal pasa de un estado sólido a un estado líquido y viceversa.
A diferencia de lo que se conoce como prefusión, este fenómeno se produjo a temperaturas inesperadamente bajas, muy por debajo de la temperatura de fusión del metal sólido (por ejemplo, 200 °C por debajo del líquido).
El fenómeno también ocurre a una profundidad mucho mayor de lo previsto dentro del metal sólido, hasta 100 átomos de profundidad, y se observó que continuaba durante varios días.
Además de ser un descubrimiento fundamental nuevo e interesante sobre la química de los metales sólidos y líquidos, en última instancia, existe una aplicación potencial dondequiera que se utilicen aleaciones metálicas. El estudio se publica en Advanced Science .
En la configuración experimental, una masa sólida (cristalina) de aleación de metal se forma (o precipita) en un océano circundante de metal líquido, un proceso común en la síntesis de aleaciones metálicas.
Por ejemplo, una pepita de aleación de galio y cobre podría precipitarse y crecer en un mar de galio líquido a medida que se enfría a temperatura ambiente, ligeramente por debajo de la temperatura de fusión del galio (30 °C), pero muy por debajo de la temperatura de fusión del Cu-. Aleación de Ga (256°C).
(El fenómeno de superficie fluctuante recientemente observado ha ocurrido en todos los sistemas metálicos probados por el equipo del RMIT, pero está particularmente bien definido en el sistema de cobre y galio).
A pesar de la ubicuidad del proceso de aleación de metal líquido, sorprendentemente se sabe poco sobre la química superficial crucial del proceso, debido a la naturaleza opaca del baño de metal líquido.
Para resolver este desafío, el equipo de RMIT tomó imágenes directamente de los fenómenos superficiales de la masa de galio-cobre utilizando un microscopio electrónico de transmisión (TEM), que permite la penetración del baño de metal líquido y resoluciones de hasta una escala nanométrica.
A esta escala, se puede ver que la superficie de la aleación sólida fluctúa entre la fase sólida y la líquida, a un ritmo de varias veces por segundo, y a una profundidad de alrededor de 10 nm, o de 50 a 100 átomos.
"Esta fluctuación de la superficie del metal sólido entre las fases sólida y líquida fue completamente inesperada", dice el autor principal Caiden Parker, "porque todo el sistema se mantuvo en condiciones cercanas a la temperatura ambiente".
"El océano de galio líquido estaba más de 200 °C más frío que el punto de fusión de la aleación Cu-Ga. No parecía haber ninguna razón posible para que su superficie siguiera volviendo a su forma líquida", dice Caiden, quien es Ph. D. candidato en RMIT.
En el vídeo, la aleación cristalina Cu-Ga se puede identificar por la estructura reticular regular, que aparece como franjas diagonales. El área gris circundante es galio líquido y no espacio vacío.
"Las capas externas de una aleación de metal sólido son sorprendentemente inestables cuando se colocan dentro de un entorno de metal líquido, a una profundidad de varios nanómetros, fluctuando entre estados cristalinos y líquidos", dice el líder del equipo y autor correspondiente, el profesor Torben Daeneke (también en RMIT). .
Esta licuefacción de la interfaz cristalina se observa a temperaturas notablemente bajas (200 °C por debajo del punto de fusión del sólido), lo que diferencia el fenómeno de licuación observado de otros procesos como la prefusión superficial o la fusión en masa convencional.
La interfaz cristalina altamente inestable se observa en una variedad de sistemas de aleaciones binarias y, como tal, los hallazgos pueden afectar la comprensión de los procesos de cristalización y solidificación en sistemas metálicos y aleaciones en general.
La estructura cristalina contiene átomos metálicos "solutos" (es decir, cobre) y átomos metálicos "solventes" (galio), formando así un compuesto (CuGa2 ). El proceso de licuefacción de la superficie comienza con la pérdida de algunos de los átomos metálicos del disolvente en el líquido circundante.
Los investigadores realizaron modelos dinámicos moleculares para comprender la fluidización de la superficie observada.
El modelado revela que en la superficie líquido-sólido, algunos átomos de solvente (galio) escaparán de la estructura sólida debido a que ese escape es energéticamente similar a permanecer en su lugar, es decir, una proporción de los átomos de Ga de la superficie poseen suficiente energía para escapar de la red cristalina. .
Este "escape" de átomos crea un vacío en la superficie, lo que eventualmente crea una inestabilidad que conduce al colapso de la red, provocando que la frontera líquido-sólido se retire hacia adentro, hacia el sólido.
Después de esto, el líquido se sobresatura en el soluto (cobre), lo que obliga al líquido circundante a volver a unirse con la red cristalina. Esto hace que la frontera líquido-sólido avance nuevamente hacia afuera, de regreso al líquido.
El resultado es que la frontera líquido-sólido oscila hacia adelante y hacia atrás en un lapso de tiempo de aproximadamente medio segundo.
Más información: Caiden J. Parker et al, Licuefacción espontánea de interfaces metal sólido-metal líquido en aleaciones binarias coloidales, Ciencia avanzada (2024). DOI:10.1002/advs.202400147
Información de la revista: Ciencia avanzada
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