Új megvilágításba került az anyagtudomány egyik alapvető fontosságú kérdése

Új megvilágításba került az anyagtudomány egyik alapvető fontosságú kérdése

A kristályosodás folyamatának pontosabb megismeréséhez és ezáltal anyagtudományi, légkörfizikai, biológiai/kriobiológiai és geofizikai kérdések megválaszolásához is hozzájárulhatnak azok az eredmények, amelyekről az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont két munkatársa számolt be a Nature Physicsben - olvasható a Magyar Tudományos Akadémia közleményében. A kutatók a folyóirat felkérésére foglalták össze a nagyszámú kristályszemcséből álló anyagok megszilárdulási folyamatának első, kevéssé ismert fázisával kapcsolatos felismeréseket.

Az MTA kutatói Gránásy László és Tóth Gyula cikkének előzménye egy kínai tudósokból álló kutatócsoport tanulmánya, amelyben a folyadék- és a kristályos fázisok közti átmenet folyamatával kapcsolatos vizsgálataikról számoltak be. A két magyar fizikus e közlemény kapcsán kapott felkérést a Nature Physicstől, hogy összegezze az anyagtudomány egyik, gyakorlati szempontból is alapvető fontosságú jelenségével, a kristálycsíra-képződéssel kapcsolatos ismereteket.

"A kristálycsíra-képződés vagy nukleáció a nagyszámú kristályszemcséből felépülő, úgynevezett polikristályos anyagok létrejöttének egyik fontos fázisa. Ezek az anyagok általában olvadék állapotból történő megszilárdulással alakulnak ki. A folyamat első, de legkevésbé ismert lépcsője a kristálycsíra-képződés, amelynek során növekedésre képes nanométeres kristályrészecskék jönnek létre" – magyarázta Gránásy László. Mint elmondta, a nukleáció folyamata nemcsak a mikroszerkezet meghatározása, hanem az atomi méretek tartományába eső, úgynevezett nanostruktúrák előállítása szempontjából is alapvető jelentőségű.

SciArt.eu | Új megvilágításba került az anyagtudomány egyik alapvető fontosságú kérdése

SciArt.eu | Új megvilágításba került az anyagtudomány egyik alapvető fontosságú kérdése | Kétlépcsős kristálycsíra-képződés a dinamikus sűrűség funkcionál elméletben. Amorf tartományok – amelyek rövidtávú rendje dominánsan a szorosan illeszkedő hatszöges kristályéra (piros) illetve a folyadékéra (fehér) hasonlít – segítik a tércentrált köbös (zöld) kristály megjelenését. (Kép: MTA)

"A kristálycsíra-képződés két szakaszból áll. Először a folyadéknál sűrűbb, kristályszerű lokális atomi renddel jellemezhető, de a térben hosszú távú rendet nem mutató, amorf tartományok jelennek meg, majd a második lépcsőben alakul ki a hosszú távú atomi rendet megvalósító kristályos anyag" – foglalta össze a kínai kutatók megállapítását Gránásy László. Hozzátette: ezt a képet egészítik ki az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban korábban végzett elméleti vizsgálatok, amelyek szerint a kristályszerű lokális szerkezettel jellemezhető amorf tartományok mellett folyadékszerű lokális szerkezettel rendelkező amorf tartományok is megjelennek. A magyar kutatók cikkükben kínai kollégáik és saját eredményeik alapján helyezték új megvilágításba a nukleáció folyamatát.

"Az elméleti eredmények összegzése arra utal, hogy a kétlépcsős kristálycsíra-képződés valószínűleg izotróp/gömbszerű részecskékből álló anyagok széles körére, például a fémekre, a nemesgázokra, a gömbszerű fehérjékre, illetve a vírusokra lehet jellemző" – hangsúlyozta a fizikus. Hozzátette ugyanakkor, hogy a számítógépes szimulációk alapján a gömb alaktól eltérő molekulákból álló víz fagyása esetén is lehetséges kétlépcsős kristálycsíra-képződés. Gránásy László szerint a nukleáció részleteinek megértése elősegítheti a megszilárdulás során kialakuló mikroszerkezet pontosabb szabályozását. Ez egyebek mellett az ipari ötvözetek tulajdonságainak további optimalizálását tenné lehetővé, de a kristálycsíra-képződés fontos szerepet játszik például a felhőképződésben, az ásványok létrejöttében, a vesekövek kialakulásában, valamint a biológiai minták (szervek stb.) fagyasztásos tárolásában is, így a kutatási eredmények hasznosítása sok területen lehetséges.