Grensesnitt med bred effekt

Påvirke faseoverganger større enn tidligere antatt

Mønsteret er et solid lag med hydrokarbonkjeder. Når temperaturen øker, forsvinner mønstrene i det monomolekylære alkanlaget i biter. Nedgangen i lagområdet er proporsjonal med antall smeltede alkanmolekyler. © MPI for kolloider og grensesnitt
lese høyt

Når nok vanndamp kondenserer på små støvpartikler i atmosfæren, regner det - et lenge kjent fenomen. Likevel vet vi fortsatt ikke i detalj hvordan overflaten av kornene påvirker dannelsen av dråper. Generelt er det fremdeles stort sett uklart hvor mye miljøgrensen påvirker faseoppførselen til molekyler. Max Planck-forskere har nå utviklet en enkel metode som lar dem kvantitativt måle og teoretisk analysere disse effektene.

Ved å videreutvikle eksperimentene sine håper forskerne å bedre forstå tidligere uløste prosesser i sintring eller i forkalkning av rør. De rapporterer om det i den nåværende utgaven av tidsskriftet Nature Physics.

Lenge kjent - lite undersøkt

Små små aggregater smelter ved lavere temperaturer enn større partikler av samme stoff. Sammenlignet med det totale volumet har de et større overflateareal og dermed flere molekyler som er utsatt for endrede interaksjoner.

"Så langt var påvirkninger av de tilstøtende grensesnittene for det meste undervurdert og forble relativt ubemerket, " forklarer Hans Riegler fra Department of Interfaces ved Max Planck Institute for Colloids and Interfaces i Potsdam. Men forskeren vet: Denne effekten er svært relevant for mange hverdagslige fenomener og for industrielle anvendelser. For eksempel har man forstått langt fra alle sintringsprosesser - en hundre år gammel industriell prosess der finmalt faststoff smeltes sammen uten å varme dem opp til deres smeltepunkt.

Imidlertid er grensesnitteffekter vanligvis vanskelige å måle kvantitativt, spesielt når det gjelder faste overflater. Fordi de ofte bare spiller en rolle i systemer av nanometer. De minste urenheter kan forstyrre målingene. utstilling

Det har aldri vært enklere

Riegler og hans doktorgradsstudent Ralf Köhler har nå utviklet en enkel metode som de kan studere forholdet mellom faseoppførsel og grensesnittegenskaper. "Fremfor alt er våre undersøkelser kvantitative, " understreker Riegler. "Selv om noen ting har vært kjent i flere tiår, er våre eksperimentelle resultater og deres teoretiske tolkning mye tydeligere og tydeligere enn noen tidligere forskning."

Eksperimentene hennes er basert på optisk reflektert lysmikroskopi. Dette gjør det mulig å avbilde partikler på en overflate som lysstyrke kontrast til omgivelsene. "Nesten hvert fysikklaboratorium har nødvendig utstyr for det. Studentene våre har allerede fulgt disse eksperimentene i praktiske eksperimenter, "sier Riegler.

Hydrokarboner som flyter

For sine undersøkelser brukte forskerne alkaner, langkjedede hydrokarboner, på forskjellige tilberedte flate silisiumoverflater. Alkanene danner i deres faste fase en slags "snegle" med en jevn lagtykkelse. Dette tilsvarer bare en molekyllengde, siden alkanene i fast tilstand er anordnet loddrett på overflater. Når alkanene smelter, avtar lagarealet i forhold til antall smeltede alkanmolekyler.

Hvis silikaoverflaten behandles slik at den ikke fuktes helt av de flytende alkanene, smelter alkanflakene ved en viss temperatur og danner flate, flytende dråper. På den annen side, hvis alkanene interagerer sterkt nok med silikaoverflatene til å våte dem fullstendig, forsvinner det skarpe smeltepunktet og utvides til et smelteområde. De faste alkanlagene begynner å bli flytende langt under deres "vanlige" smeltepunkt.

"Vi var i stand til å kvantitativt måle den grensesnittinduserte alkansmelten opp til 50 grader under det generelle smeltepunktet, " sier Hans Riegler. De solide Alkanschollen forsvinner så stykkevis.

Fryser på fotballbanen

"Det faktum at smeltepunktet utvides til et smelteområde skyldes påvirkningen av silikaoverflatearealene som omgir de faste alkanblokkene, " forklarer Riegler. Smeltenergien, som normalt må påføres ved å øke temperaturen, oppnås av de flytende alkanene gjennom fuktingen av silikaoverflaten. Det vil si at alkanene vandrer fra det faste flyter ut i miljøet, som de deretter tiltrekker interaktivt med. Denne fuktingsenergien frigjøres. Så lenge den er større enn eller lik smeltenergien, blir alkanene flytende før de når sitt egentlige smeltepunkt.

Alkanene oppfører seg i utgangspunktet som å fryse folk på en fotballbane: når det er kaldt, publiserer de fleste seg i en mengde for å varme hverandre. Men igjen og igjen vil noen mennesker bryte seg vekk fra mengden for å varme opp ved å løpe rundt i feltet. Antallet er imidlertid begrenset. For hvis det er for mange, så hindrer de hverandre. Et visst beløp forblir derfor alltid i mengden. Selv med alkanene frigjøres mindre og mindre fuktingsenergi, jo mer blir silikaoverflaten okkupert av molekylene. Fra et visst belegg smelter ingen ekstra alkaner. Det er en viss fordeling mellom faste alkaner i flytene og flytende alkaner på den omgivende silikaoverflaten.

Mindre mennesker, ingen trengsel

Når alkanene er fullstendig smeltet, avhenger ikke bare av temperaturen. Jo færre molekyler som brukes per totalareal, jo mindre må du varme dem inn til det faste alkanlaget har smeltet fullstendig. Dette kan også forklares med analogien: Hvis det bare er noen få mennesker på banen helt, vil de løpe rundt selv i stor kulde, i stedet for å samles i en mengde: F Det er nok plass for alle. Hvis det derimot er stort antall mennesker i feltet helt fra starten, vil bare en veldig liten plass varme opp. Jo høyere total alkanetetthet, jo flere alkaner forblir i de faste flytene. Temperaturen hvor det faste alkanlaget smelter, øker helt med økende alkandekning.

Potsdam-forskerne har benyttet seg av dette i eksperimentet sitt. For forskjellige alkanoppgaver har du målt temperaturen som den faste alkanen flyter helt av. "Det er mikroskopisk lett å se. Dessuten er tildelingen av alkan veldig nøyaktig og lett justerbar av prøveforberedelsen, "sier Riegler. På denne måten har forskerne oppnådd klare, kvantitative resultater for smelteatferden til alkanene. "Teknisk sett hadde det vært betydelig mer kostbart å bestemme reduksjonen av alkanflakene avhengig av temperaturen, " sier Riegler.

Enkelt eksperiment - men opplysende

"Resultatene våre viser at miljøgrensesnittene også spiller en viktig rolle i faseoppførsel, og ikke bare overflatene til stoffet som gjennomgår faseovergangen, som det vanligvis antas, " sier Riegler. "Fremfor alt viser de også kvantitativt hvordan fuktingsegenskapene til systemet er relatert til dets faseatferd."

Dermed beviser forskerne at grensesnitt ikke bare påvirker faseoppførselen til partikler av nanometerstørrelse: Selv godt under selve smeltepunktet, selv med større partikler, migrerer molekyler til omgivende grensesnitt. "Spesielt for sintring kan dette gi verdifull informasjon, " sier Riegler.

(MPG, 06.11.2007 - NPO)