Experimenteer met het verleggen van de grenzen van massief goud

Wetenschappers zijn erin geslaagd om wat in de natuurkunde bekendstaat als de "entropiecatastrofe" te overtreffen door massief goud tot buitengewone temperaturen te brengen. Thomas White en zijn team van de Universiteit van Nevada verhitten het goud in slechts een fractie van een seconde tot 14 keer zijn smeltpunt. Dit experiment wordt beschouwd als een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen hoe materie van fase verandert.

ENTROPIERAMP

Entropie is een maatstaf voor wanorde in een systeem en een van de fundamentele natuurwetten. Volgens de tweede wet van de thermodynamica neemt entropie, of wanorde, altijd toe in een geïsoleerd systeem. Vloeibaar water is bijvoorbeeld wanordelijker dan ijs en heeft daardoor een hogere entropie. Vaste stoffen zijn over het algemeen meer geordend dan vloeistoffen, wat betekent dat ze een lagere entropie hebben. Dit kan echter onder extreme omstandigheden veranderen. Wetenschappelijk gezien kan een vloeistof onderkoeld worden om de entropie dichter bij die van een vaste stof te brengen. Omgekeerd kan een vaste stof de entropie van zijn vloeibare toestand bereiken door hem ver boven zijn smeltpunt te verhitten. Het bereiken van dit punt wordt een "entropiecatastrofe" genoemd, omdat deze temperatuur meestal drie keer zo hoog is als het smeltpunt. Voor goud ligt deze grens rond de 3200 graden Celsius.

Het bereiken van deze temperatuur is niet eenvoudig, omdat materie al begint te smelten of te ontbinden voordat dat punt is bereikt. Deze uitdaging wordt de "hiërarchie van de ramp" genoemd. Met andere woorden: de natuur weerstaat deze extreme omstandigheden.

De nieuwe studie, gerapporteerd door Chip, gebruikte goudfilms van slechts 50 nanometer dik – ongeveer de helft van de dikte van een virus. De monsters werden verhit met röntgenlaserpulsen van 45 femtoseconden. In deze extreem korte tijd steeg de temperatuur van het goud dramatisch.

De structuur van metalen bestaat uit elektronen die vrij rond positief geladen ionen zweven. Deze structuur geeft metalen hun eigenschappen zoals elektrische en thermische geleidbaarheid. Wanneer een laserstraal deze vrije elektronen raakt, verspreidt de energie zich door de structuur. De atomen beginnen snel te trillen, en deze beweging werd door onderzoekers gemeten.

Het team bereikte deze oververhitting met behulp van twee verschillende methoden, en in beide gevallen overschreed het met succes de temperatuurgrens die bekendstaat als de entropiecatastrofe. Een belangrijke factor in dit succes was dat het materiaal, ondanks het bereiken van deze temperaturen, zo snel opwarmde dat het geen tijd had om structureel te verslechteren. Met andere woorden: de kristalstructuur tussen de atomen bleef even intact.

Er is hier een belangrijk punt: temperatuur is eigenlijk de gemiddelde snelheid waarmee deeltjes bewegen. In dit experiment zorgt de laserenergie echter voor een onbalans in het systeem, waardoor de gemeten temperatuur mogelijk niet exact overeenkomt met de evenwichtstemperatuur in de traditionele zin.

Toch werpen de resultaten licht op de grenzen van faseovergangen. Als we het gedrag van materie onder zulke extreme omstandigheden beter kunnen beheersen, kunnen we in de toekomst aanzienlijke vooruitgang boeken bij het creëren van de volgende generatie materialen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.