Wie Eis Schmilzt: Langes Rätsel Gelöst

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Wissenschaftler sind seit langem von den unsichtbaren frühen stadien des schmelzens geplagt.

Bisher konnten die Wissenschaftler nicht erklären, warum Eiswürfel in Ihrem Getränk schmelzen. Sie haben die Grundlagen kennen gelernt, aber die Details blieben schwer.

Eine heute angekündigte bahnbrechende neue Studie stützt eine führende Theorie, wonach das Schmelzen beginnt, wenn die grundlegende Struktur der Materie zu knacken beginnt.

Das Schmelzen gilt in der Physik als grundlegendes Phänomen. Ein Verständnis der Funktionsweise ist entscheidend, um die physische Welt fest im Griff zu haben.

"Es fehlen jedoch wichtige Details zu den Mechanismen, die das Schmelzen eines Eiswürfels antreiben", sagte Arjun Yodh von der University of Pennsylvania. "Oberflächlich gesehen ist das Prinzip einfach. Wenn sich ein Festkörper aufheizt, gewinnen Moleküle im Eis mehr Energie und wackeln umher und treiben den Übergang von einem Festkörper zu einer Flüssigkeit. Dies trifft zum Teil zu, aber die Realität ist reichhaltiger und komplexer. "

Das Problem ist, dass die früheste Phase des Schmelzens nie gesehen wurde. Wissenschaftler können die beteiligten Atome nicht sehen, weil sie so klein sind und in der Struktur von festem Material verborgen sind.

Also machte Yodhs Team einige große Atome. Insbesondere bildeten sie durchsichtige Kristalle, die wie kleine Perlen aussehen und in einem optischen Mikroskop sichtbar sind.

"Die Kugeln schwellen oder kollabieren bei kleinen Temperaturänderungen signifikant und zeigen andere nützliche Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, sich für unser Experiment wie riesige Atome zu verhalten", sagte Ahmed Alsayed, Doktorand der Universität von Pennsylvania und Hauptautor eines Papiers zu den Ergebnissen in der Ausgabe des Journals vom 1. Juli Wissenschaft.

Vorschmelzungen treten an Stellen auf, an denen Atome in festen Kristallen nicht perfekt ausgerichtet sind und sich zu bewegen beginnen. Die Änderungen sind in Bildern zu sehen, die aufgenommen wurden, als das Material erhitzt wurde. Die Unvollkommenheiten ähneln den Unterschieden bei Holzmaserung, sagten die Wissenschaftler.

"Diese Bewegungen breiten sich dann in die geordneteren Teile des Kristalls aus", sagte Alsayed. "Wir konnten sehen, dass die Menge des Vorschmelzens von der Art des Kristallfehlers und der Entfernung vom Defekt abhing."

Die Natur könnte Technologie inspirieren, wenn der Prozess weiter untersucht wird.

"Das Vorhandensein von Vorschmelzung in festen Materialien impliziert, dass Flüssigkeiten in Kristallen vorhanden sind, bevor ihre Schmelztemperatur erreicht ist", sagte Yodh. "Wenn Sie diesen Effekt verstehen, erhalten Sie Einblicke in das Design starker Materialien, die für Temperaturänderungen mehr oder weniger unempfindlich sind. Sie könnten auch auf unsere Theorien über die Entwicklung natürlicher Materialien wie Wasser in unserer Umgebung zutreffen."


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