Kiedy stopiony metal chłodzony jest z dużą prędkością, pewne jego obszary mogą jednak mieć wystarczającą ilość czasu do rozwoju uporządkowanych form krystalicznych. Jeżeli zaś szybkość chłodzenia jest zbyt duża do krystalizacji całego stopu, niektóre fragmenty nie ulegają krystalizacji tworząc formę amorficzną – szkło metaliczne – których sieć wykazuje uporządkowanie bliskiego zasięgu, a atomy są przypadkowo rozmieszczone w “zamrożonej” strukturze cieczy. Ostatnio grupa naukowców z National Institute od Standards and Technology (NIST) natrafiła na nieoczekiwane odwrócenie tej standardowej sekwencji zdarzeń.
Po ochłodzeniu ciekłego stopu aluminium, żelaza oraz krzemu okazało się iż powstałe jako pierwsze, aglomeraty amorficznej fazy stałej wzrastały na tyle wolno, aby utworzyć i wybrać pewne związki chemiczne, odrzucając jakby inne w otaczającym stopie, które połączyły się tworząc kryształy w toku dalszego chłodzenia. Dochodzenie w sprawie nowej fazy na U.S. Department of Energy Office of Science’s Advanced Photon Source (APS) sugeruje iż może to być przykład zupełnie odmiennej struktury, teoretycznie możliwej do uzyskania lecz dotąd nie odkrytej. Jest to układ izotropowy o nieskończonej symetrii obrotowej ale pozbawiony dyskretnej symetrii translacyjnej. Bezpośrednie naoczne dowody wskazują jednoznacznie że “ziarna” amorficzne powstały jako pierwsze, a następnie wokół nich metaliczne krystality.
Dokładniejsze badania wykazały że białe, jasne kryształy obecne na fotografii struktury stopu to metaliczne aluminium o małej zawartości krzemu i żelaza (Al13Fe4Si4). Badacze doszli do wniosku że tego rodzaju skupiska tworzą się w wyniku procesu nukleacji oraz przemieszczenia nadmiaru aluminium gdzie po osiągnięciu wartości krytycznej krystalizuje spychając pozostałość żelaza oraz krzemu w szczeliny. Naukowcy nazwali swoje odkrycie q-glass.
Czy q-glass jest amorficzny, kwazikrystaliczny lub polikrystaliczny? Naukowcy wskazali dwie główne możliwości, z czego jedna sugeruje że początkowy wzrost ziarn jest spowolniony co w rezultacie daje strukturę skupisk stabilnie upakowanych razem, lecz w sposób nieuporządkowany co przeciwdziała tworzeniu się uporządkowania dalekiego zasięgu. Bardziej ekscentrycznie, istnieją matematycznie dopuszczalne układy punktów w trzech wymiarach, które są izotropowe lecz ani periodyczne ani kwaziperiodyczne.
Źródła:
[1] G.G. Long, K.W. Chapman, P.J. Chupas, L.A. Bendersky, L.E. Levine, F. Mompiou, J.K. Stalick and J.W. Cahn. A highly ordered non-crystalline metallic phase. Phys. Rev. Letters 111, 015502 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.015502.
[2] Glass by Kinchan1, flickr.com, CC by 2.0