Исследователи Peter Sutter и Eli Sutter, используя нанопипетку, смогли изучить процесс застывания нанокапли расплава Au72Ge28, и их наблюдения могут существенно изменить сложившиеся представления о кристаллизации веществ.
Плавление и кристаллизация – это фундаментальные процессы (фазовые переходы первого рода), при которых жидкое, не обладающее дальним порядком состояние вещества меняется на упорядоченное твердое. При охлаждении жидкой капли движение атомов в ней постепенно замедляется, пока в какой-то момент не сформируется твердое тело. Для образования новой фазы необходимы центры кристаллизации, которые растут и превращаются в кристаллы. Такие зародыши могут образовываться на поверхности посторонних включений (гетерогенное зародышеобразование) или в объеме начальной жидкой фазы (гомогенное). Во втором случае кристаллизация значительно затруднена.
Изучение гомогенной кристаллизации осуществить довольно непросто, т.к. нелегко устранить влияние границ между жидкой и твердой фазами (например, жидкостью и стенками сосуда). Поэтому исследователи проводили свои эксперименты на свободно висящих нанокаплях расплава, получаемых при помощи нанопипетки. Капли удерживались силами поверхностного натяжения. Наблюдение процесса осуществлялось при помощи электронного микроскопа.
Вопреки ожиданиям, оказалось, что в объеме капли не начинается спонтанное образование твердых зародышей, приводящее к затвердеванию. Вместо этого происходит огранка поверхности жидкой капли, вызывающая дальнейшую кристаллизацию в объеме.
При переохлаждении капли до 305 градусов Цельсия на ее поверхности стали формироваться плоские грани, которые постоянно образовывались и исчезали. Этот процесс мог продолжаться бесконечно, но быстро останавливался, если температура хоть немного понижалась. При этом форма кристалла полностью повторяла форму капли непосредственно перед застыванием.
Таким образом, впервые такое свойство кристаллов как огранка наблюдалось у капли в тонкой приповерхностной области, в то время как ее объем оставался жидким. Это явление противоречит классической теории нуклеации (зародышеобразования), постулирующей образование зародышей твердой фазы в объеме жидкости. По крайней мере, для нанокапель такое предположение не соблюдается.
Работа «Dispensing and surface-induced crystallization of zeptolitre liquid_metal-alloy_drops» является основой для более глубокого понимания процессов кристаллизации.