كشف فرایند انجماد قطره‌های نانومقیاس به كمك كوچك‌ترین پیپت دنیا

محققانی از آزمایشگاه ملی بروک‌هاون (BNL) وزارت انرژی آمریکا، نشان دادند که قطرات ریزفلزات مایع بسیار متفاوت از قطرات بزرگ‌تر منجمد می‌شوند. این محققان بر روی قطراتی با اندازه یک بیلیونیوم از یک تریلیونیوم یک لیتر (یک زپتولیتر) تمرکز کردند. سرپرست این گروه تحقیقاتی، می‌گوید: «یافته‌های ما می‌تواند به درک بهتر فرآیند انجماد یا بلوری شدن در بسیاری از حیطه‌های طبیعت و فناوری کمک کند».

ذوب شدن و بلوری شدن که انتقال فاز
نامیده می‌شوند، فرایندهای بنیادی هستند که بیشتر مواد از طریق آنها بین
حالت مایع نامنظم (نظیر آب) و حالت جامد منظم (مانند یخ) تغییر می‌کنند.
هنگامی که یک قطره سرد می‌شود، حرکت اتم‌های آن به‌تدریج کندتر می‌شود تا
کاملاً متوقف شده، به جامد تبدیل شوند. برای قطرات بزرگ‌تر، این فرایند
معمولاً در ناخالصی‌های کوچک مثلاً یک نقطه آلودگی شروع می‌شود و به‌سرعت
در تمام قطره پخش می‌گردد. ولی در مواد بسیار خالص که فاقد این مراکز
بلورینه شدن هستند، شروع فرایند انتقال فاز با مشکل همراه است.
تئوری پذیرفته‌شده بلوری شدن که در نیمه اول قرن گذشته توسعه یافت، بیان می‌کند
که در هنگام فقدان ناخالصی، یک هسته جامد کوچک که تصادفاً در داخل قطره به
وجود می‌آید عملیات انتقال فاز را آغاز می‌کند. گروه تحقیقاتی بروک‌هاون
معتقدند که آزمایش‌های آنها بر روی قطرات بسیار کوچک این فرضیه را با چالش
روبه رو می‌کند.
به‌منظور مطالعه فرآیند انجماد در مقیاس فوق‌العاده کوچک، سوتر و همکارش از
یک پیپت که به گمان آنها کوچک‌ترین پیپت دنیاست و قابلیت تولید قطرات آلیاژ
طلا- ژرمانیوم با حجم چند زپتولیتر را دارد، استفاده کردند. این پیپت با
قرار گرفتن درون یک میکروسکوپ الکترونی که توانایی تصویربرداری از نمونه را
به‌وسیله بمباران الکترونی دارد، قطرات ریز را به‌گونه‌ای پخش کرد که امکان
مطالعه انتقالات فازی آنها با بزرگ‌نمایی بالا فراهم شد.
برای رسیدن به حالت مایع، آلیاژ فلزی به‌کار رفته باید در دمای بالای 350
درجه سیلسیوس نگه داشته می‌شد. هنگامی که دما کم شد و به حدود 305 درجه
سیلسیوس رسید، محققان پدیده قابل توجهی را مشاهده کردند؛ قطرات مایع شکل‌های
سطحی ایجاد کردند که به‌صورت بخش‌های مسطح و مستقیم بر روی ساختارهای کروی
دیگر قرار گرفته بودند. این شکل‌ها پیوسته تشکیل شده و از بین می‌رفتند و
حالت رقص سماوی (ethereal) به قطره می‌دادند. این حالت برای چند ساعت تداوم
داشت اما با افت دما سریعاً متوقف ‌شد. در این لحظه، قطره به‌صورت ساختاری
که به‌وسیله موقعیت‌های پایانی شکل‌های سطحی رقصان تعیین می‌شد، منجمد شد.
در این آزمایش‌ها خواص جامدات ابتدا فقط در سطح بیرونی ظاهر ‌شد، در حالی
که نواحی درونی همچنان مایع بود.
این محققان نتایج کار خود را در مجله
Nature Materials منتشر کردند.