Левитация позволила выяснить, что происходит в момент замерзания жидкости, Hi-Tech

Компьюлента. 4 июля 2003 года, 13:40

Использовав так называемый электростатический левитатор в Центре Маршалла, группа ученых из NASA и университета имени Вашингтона в Сент-Луисе (штат Миссури) доказала давнюю гипотезу о механизме кристаллизации металлов.

Главным предметом исследований ученых стало пограничное состояние вещества между жидким и твердым фазами. Впервые исследование на эту тему в 1700 году написал знаменитый немецкий физик Габриель Фаренгейт (изобретатель спиртового и ртутного термометров). Он обнаружил, что вода, достигшая температуры замерзания, не сразу превращается в лед: определенное время она пребывает в так называемом "сверхохлажденном" состоянии. В этот момент молекулы формируют структуры, совершенно непохожие на "традиционные" кристаллы льда.

В 1950 году Дэвид Тернбулл и Роберт Чек из компании General Electric в Скенектади (штат Нью-Йорк) показали, что подобным образом себя ведут и расплавленные металлы. А в 1952 году британский физик Чарльз Фрэнк из Бристольского университета подробно описал эффект "недоохлаждения", в основе которого лежит принципиальная разница в построении атомов в жидкости и твердом теле. Выяснилось, в частности, что атомы в расплавленных металлах формируют икосаэдр - фигуру с 20 треугольными гранями, в то время как обычная кристаллическая решетка металла по форме ближе к кубу.

Однако все эксперименты с процессом нуклеации кристалла (формирования его из первоначального зерна) чаще всего не были достаточно чистыми. Как правило, форму структур, возникающих в жидкости, охлажденной до температуры затвердевания, нарушали проникшие в расплав посторонние примеси.

Добиться желаемой чистоты эксперимента (как в буквальном, так и в переносном смысле) позволил электростатический левитатор - устройство, позволяющее с помощью статического электричества поднять образец материала в воздух и исследовать его в "подвешенном состоянии". В качестве исследуемого материала по свойствам ученым больше всего подошел сплав титана, циркония и никеля. Его расплавили, остудили до температуры затвердевания и исследовали в искусственной "невесомости", образованной при помощи электростатического левитатора, "нащупав" пучком рентгеновских лучей в парящем образце жидкого сплава двадцатигранники, возникшие в момент нуклеации и, тем самым, подтвердили гипотезу Фрэнка.

В ближайшем будущем ученые намерены попросить экипаж Международной космической станции повторить эксперимент в условиях естествнной невесомости на орбите. Если все пройдет успешно, ученые рассчитывают использовать открытие для создания и производства принципиально новых материалов.