2020年3月3
当固体物质被充分加热时，热能或潜热使物质的分子分裂而形成液体。冰变成水是这种从有序的固态到无序的液态相变的一个常见例子。
多晶金薄膜中晶界位置(线相交的点)的图示。放大视图显示了在激光激发薄膜后，在这些边界处产生的熔化锋面是如何传播到晶粒的。图片来源:布鲁克海文国家实验室
虽然已经知道熔化是物质的基本过程，但由于缺乏足够的时间分辨能力，研究人员还没有完全了解它在微观层面上的作用。但x射线自由电子激光器(XFELs)在过去10年的引入，使熔化机制以及其他类型的超快原子尺度动力学的研究成为可能。
这类仪器利用自由或不受束缚的电子在x射线能量区域产生飞秒(一秒的万亿分之一)光脉冲。与x射线同步加速器相比，XFELs具有较高的x射线脉冲强度和较短的持续时间。
一组国际研究人员现在利用这些仪器之一，即韩国浦项加速器实验室XFEL (PAL-XFEL)，跟踪纳米厚的金薄膜的熔化，这些薄膜由许多微小的晶体组成，取向不同。
研究人员使用超短x射线脉冲(探针)跟踪这些多晶金薄膜被飞秒激光(“泵浦”)激发后的结构变化。这种飞秒激光包括熔化。一旦x射线脉冲击中黄金，x射线束就会以一种典型的材料晶体结构的模式衍射。
当研究人员在不同的泵浦探测时间延迟(皮秒，或万亿分之一秒)范围内收集x射线衍射图像时，他们拍摄了金薄膜开始和继续融化的“快照”。
衍射图形随时间的变化表明晶体无序的动力学。在这项分析中，研究人员选择了金，因为它具有明确的固体-液体转变，并能非常强烈地衍射x射线。
x射线衍射图也表明熔化是不均匀的。在1月17日网上发表的一项研究中th， 2020年，问题亚博老虎机网登录科学的进步，研究人员认为，这种熔化可能起源于不同取向的晶体相遇的界面(即所谓的晶界缺陷)，随后扩散到微小的晶体区域(晶粒)。简单地说，晶界比晶体的其余部分更早开始熔化。
科学家认为，多晶材料的熔化优先发生在表面和界面，但在XFEL之前，熔化的进程作为时间的函数是未知的亚博网站下载．众所周知，激光产生“热”(能量)电子，当它们将能量转移到晶体时，会导致熔化．
伊恩·罗宾逊，研究共同通讯作者，布鲁克海文国家实验室
罗宾逊继续说道,“这种能量转移过程优先发生在晶界，因而不是均匀的，这一观点直到现在还没有被提出”。
罗宾逊还是美国能源部(DOE)凝聚态物理与材料科学部(CMPMS) x射线散射小组的负责人亚博网站下载亚博老虎机网登录布鲁克海文国家实验室．
激光诱导熔化机理是航空航天、汽车等行业精密零件微加工中需要考虑的重要问题．
Tadesse Assefa，布鲁克海文国家实验室第一作者和博士后
作为罗宾逊小组的博士后，阿塞法继续说道:激光对材料的耦合方式取决于激光的脉冲持续时间。例如，飞秒激光的超短脉冲似乎比纳秒激光的长脉冲更好地进行干净的切割，如钻孔”。
在他们的实验中，研究人员首先在功能性纳米材料中心(CFN)开发了不同厚度的薄膜(50、100和300纳米)，该中心是美国能源部布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室。亚博网站下载亚博老虎机网登录
在CFN纳米制造设施，研究人员进行了电子束蒸发，这是一种利用电子将所需材料压缩到衬底上的沉积方法。该设备的超洁净大气使研究小组能够在大的样本区域内制造出均匀厚度的黄金薄膜。
在PAL-XFEL，研究小组通过一排激光功率级对金薄膜进行了时间分辨x射线衍射。布鲁克海文实验室计算科学计划的工作人员开发了一种软件，可以对衍射图形图像探测器产生的tb级数据亚博老虎机网登录进行高通量分析。
然后，利用哥伦比亚工程学院的同事创建的软件，研究人员将这些图像转换成线性图表。图中的图形显示了一个双峰，对应的是正在熔化的“热”区域(中间峰)，以及一个相对“冷”的区域(晶体的其余部分)，后者还没有得到熔化的潜热。
通过电子耦合过程，热到达晶界，随后传导到晶粒。这种潜热的吸收导致在一对移动的熔体锋面之间紧密地包裹着一条熔化物质的带。最终，这个波段变得更大。
”一个熔体锋面位于固体和熔化区之间，另一个熔体锋面位于熔化区和液态区之间,”罗宾逊说。
研究人员现在计划通过减小晶粒尺寸(从而增加晶界的数量)来验证他们的双前沿模型，这样他们就可以接近熔化过程的终点。由于熔化以波穿过晶体颗粒的速度相对较慢(30米/秒)，因此与仪器的计时范围(500秒)相比，穿过大颗粒需要更多的时间。
研究人员还想探索其他种类的合金(多种金属的混合物或与其他元素结合的金属)，金属，以及与催化相关的材料，其中的晶界参与化学反应。亚博网站下载
这项研究代表了我们如何建立对融化机制的理解的开始．通过使用不同的材料进行这些实验，我们将能够确定我们的模型是否可推广亚博网站下载．
Tadesse Assefa，布鲁克海文国家实验室第一作者和博士后
另外，浦项科技大学、英国伦敦大学学院、西江亚博老虎机网登录大学等也是合作机构。
来源:https://www.bnl.gov/world/