Si calienta un material sólido lo suficiente, la energía térmica (calor latente) hace que las moléculas del material comiencen a romperse, formando un líquido. Uno de los ejemplos más familiares de esta transición de fase de un estado sólido bien ordenado a un estado líquido menos ordenado es el hielo que se convierte en agua.

Aunque la fusión es un proceso fundamental de la materia, los científicos no han podido comprender completamente cómo funciona a nivel microscópico, debido a la falta de capacidad de investigación con suficiente resolución de tiempo. Sin embargo, la llegada de los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) en la última década está haciendo que el estudio del mecanismo de fusión, así como otras dinámicas ultrarrápidas a escala atómica, posible. Estos instrumentos utilizan electrones libres (no unidos) para generar pulsos de luz de femtosegundo (una cuadrillonésima de segundo) en la región de energía de rayos X. En comparación con los sincrotrones de rayos X, Los XFEL tienen pulsos de rayos X de una duración mucho más corta y de mayor intensidad.

Ahora, Un equipo de científicos internacionales ha utilizado uno de estos instrumentos, el Laboratorio Acelerador de Pohang XFEL (PAL-XFEL) en Corea del Sur, para monitorear la fusión de películas de oro de nanómetros de espesor compuestas por muchos cristales muy diminutos orientados en varias direcciones. Utilizaron un pulso de rayos X ultracorto ("sonda") para controlar los cambios estructurales que siguen a la excitación de estas películas delgadas de oro policristalino mediante un láser de femtosegundos ("bomba"), que induce la fusión. Cuando el pulso de rayos X golpea el oro, el haz de rayos X se difracta en un patrón que es característico de la estructura cristalina del material. Al recopilar imágenes de difracción de rayos X en diferentes demoras de tiempo de la sonda de la bomba en escalas de picosegundos (una billonésima de segundo), pudieron tomar "instantáneas" a medida que comenzaba y progresaba la fusión en las películas delgadas de oro. Los cambios en los patrones de difracción a lo largo del tiempo revelaron la dinámica del desorden de los cristales. Los científicos seleccionaron oro para este estudio porque difracta los rayos X con mucha fuerza y ​​tiene una transición de sólido a líquido bien definida.

Los patrones de difracción de rayos X revelaron que la fusión no es homogénea (no uniforme). En un artículo publicado en línea en la edición del 17 de enero de Avances de la ciencia , Los científicos propusieron que esta fusión probablemente se origina en las interfaces donde se encuentran los cristales de diferentes orientaciones (imperfecciones llamadas límites de grano) y luego se propaga a las pequeñas regiones cristalinas (granos). En otras palabras, los límites de los granos comienzan a derretirse antes que el resto del cristal.

"Los científicos creían que la fusión en materiales policristalinos ocurre preferentemente en superficies e interfaces, pero antes de XFEL se desconocía la progresión de la fusión en función del tiempo, "dijo el coautor para correspondencia Ian Robinson, líder del Grupo de Dispersión de Rayos X en la División de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales (CMPMS) en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Se sabía que el láser genera electrones" calientes "(energéticos), que provocan la fusión cuando transfieren su energía al cristal. La idea de que este proceso de transferencia de energía ocurre preferentemente en los límites de los granos y, por lo tanto, no es uniforme nunca se ha propuesto hasta ahora ".

"Es importante tener en cuenta el mecanismo de fusión inducida por láser para el micromaquinado de piezas de precisión utilizadas en la industria aeroespacial, automotor, y otras industrias, "añadió el primer autor Tadesse Assefa, un postdoctorado en el grupo de Robinson. "La forma en que el láser se acopla al material es diferente según la duración del pulso del láser. Por ejemplo, los pulsos ultracortos de los láseres de femtosegundos parecen ser mejores que los pulsos más largos de los láseres de nanosegundos para hacer cortes limpios, como perforar agujeros ".

Para su experimento, Los científicos fabricaron por primera vez películas delgadas de espesor variable (50, 100, y 300 nanómetros) en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven. Aquí, en la planta de nanofabricación de CFN, realizaron evaporación por haz de electrones, una técnica de deposición que utiliza electrones para condensar el material deseado en un sustrato. El entorno ultralimpio de esta instalación les permitió crear películas de oro de espesor uniforme en una gran área de muestra.

En PAL-XFEL, realizaron difracción de rayos X de resolución temporal en estas películas en un rango de niveles de potencia láser. El software desarrollado por el personal de la Iniciativa de Ciencias Computacionales de Brookhaven Lab manejó el análisis de alto rendimiento de los terabytes de datos generados a medida que un detector recopilaba las imágenes del patrón de difracción. Luego, el equipo utilizó un software desarrollado por científicos de Columbia Engineering para convertir estas imágenes en gráficos lineales.

Los gráficos revelaron un pico doble correspondiente a una región "caliente" en proceso de fusión (pico intermedio) y una región relativamente "fría" (el resto del cristal) que aún no ha recibido el calor latente de fusión. Mediante acoplamiento de electrones, el calor va a los límites de los granos y luego se conduce a los granos. Esta absorción de calor latente da como resultado una banda de material de fusión intercalada entre dos frentes de fusión en movimiento. Tiempo extraordinario, esta banda se vuelve más grande.

"Un frente de fusión se encuentra entre una región sólida y una región de fusión, y el otro entre una región de fusión y líquida, "explicó Robinson.

Próximo, el equipo planea confirmar su modelo de dos frentes reduciendo el tamaño de los granos (aumentando así el número de límites de granos) para que puedan llegar al final del proceso de fusión. Debido a que la fusión ocurre como una onda que atraviesa los granos de cristal a una velocidad relativamente lenta (30 metros por segundo), se necesita más tiempo que el intervalo de tiempo del instrumento (500 picosegundos) para cruzar granos grandes.

También les gustaría mirar otros metales, aleaciones (mezclas de varios metales o un metal combinado con otros elementos), y materiales catalíticamente relevantes, en el que los límites de los granos están involucrados en reacciones químicas.

"Este estudio representa el comienzo de cómo desarrollamos una comprensión del mecanismo de fusión, ", dijo Assefa." Al realizar estos experimentos con diferentes materiales, podremos determinar si nuestro modelo es generalizable ".