Forskare vid European XFEL i Schenefeld nära Hamburg har tittat närmare på bildandet av den första kristalliseringen av kärnor i underkylda vätskor. De fann att bildningen startar mycket senare än vad som tidigare antagits. Resultaten kan bidra till att bättre förstå hur is bildas i moln i framtiden och till att beskriva vissa processer inne i jorden mer exakt.
Alla barn vet att vatten fryser till is när det blir iskallt. För vatten sker detta normalt under 0°C, vilket är vattnets smälttemperatur. Detta är en fast punkt på Celsius temperaturskala som vi använder.
Övergången från flytande till fast fas är dock en mycket komplex process och är svår att studera experimentellt på atomnivå. En anledning till detta är att kristaller bildas slumpmässigt: Man vet inte exakt när och var det kommer att ske.
Dessutom kan en vätska befinna sig i ett metastabilt tillstånd under lång tid: Den förblir flytande trots att den egentligen borde frysa och bli fast. Det gör det oerhört svårt att hitta rätt tidpunkt för när en kristall ska bildas och att följa dess tillväxt.
Dessa effekter är dock mycket relevanta i naturen. De spelar t.ex. en avgörande roll vid bildandet av is i moln eller vid processer inne i jorden.
Med hjälp av de intensiva röntgenblixtarna från European XFEL:s röntgenlaser med fria elektroner har ett internationellt forskarlag vid European XFEL i Schenefeld nära Hamburg nu lyckats mäta kärnbildningen i underkylda vätskor med stor precision. Experimenten ägde rum i vakuum för att röntgenljuset inte skulle interagera med molekylerna i luften, vilket skulle störa experimenten.
Forskningen publiceras i tidskriften Physical Review Letters.
På grund av sin komplexitet är vatten dock en av de svåraste vätskorna att modellera. Av den anledningen använde forskarna istället argon och krypton i flytande form i sina experiment. Faktum är att underkylda ädelgasvätskor är de enda system för vilka det för närvarande går att göra tillförlitliga teoretiska förutsägelser.
Forskarna undersökte uttryckligen den så kallade kristallkärnbildningshastigheten J(T). Detta är ett mått på sannolikheten för att en kristall ska bildas i en viss volym inom en viss tid. Hur snabbt detta sker är en viktig parameter, till exempel för att matematiskt kunna beskriva verkliga processer i modeller – till exempel i väderprognoser eller klimatmodeller.
Eftersom det är så svårt att mäta verklig kristallbildning används ofta simuleringar. Dessa är dock förknippade med stora osäkerheter. Till exempel kan de kärnbildningshastigheter som simuleras för vatten avvika med flera storleksordningar från de som uppmätts experimentellt, vilket gör modelleringen felaktig.
Röntgenlasern i European XFEL är idealisk för undersökningar av det här slaget: Med hjälp av intensiva röntgenblixtar kan forskarna undersöka de mycket snabba förändringarna i kristallisationsutvecklingen.
Teamet valde MID-instrumentet (MID = Materials Imaging and Dynamics) för sina experiment. De bombarderade vätskestrålarna med röntgenpulser som hade en energi på 9,7 kiloelektronvolt (keV). Varje röntgenpuls varade i mindre än 25 femtosekunder – en femtosekund motsvarar en kvadriljondels sekund. Ljuset förflyttar sig mindre än en millimeter på den här tiden.
Experimentatorerna riktade det intensiva röntgenljuset mot vätskestrålen, som bara var 3,5 mikrometer tunn, och fokuserade det på en yta med en diameter på mindre än en mikrometer. Totalt spelade teamet in flera miljoner diffraktionsbilder för att få tillräcklig statistik och för att kunna bestämma kristallbildningshastigheten med tillräcklig noggrannhet.
Enligt resultaten är kristallbildningshastigheterna mycket lägre än vad som förutspåtts utifrån simuleringar och den klassiska teorin.
”Studien lovar att avsevärt utöka vår förståelse av kristallisering”, säger Johannes Möller från MID-instrumentet för European XFEL. ”Resultaten visar att den allmänt använda klassiska teorin om bildandet av kristaller från vätskefasen avviker avsevärt från verkligheten.”
”Vi förväntar oss att vår metod kommer att göra det möjligt att för första gången testa olika utvidgningar av den klassiska teorin för att förutsäga kristallisation”, tillägger Robert Grisenti från GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, studiens huvudförfattare. ”Våra resultat kommer att hjälpa teoretikerna att förfina sina modeller i framtiden.”
Ytterligare information: Johannes Möller et al, Crystal Nucleation in Supercooled Atomic Liquids, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.206102
