ІНТЕРВ’Ю. 120-річна фізична дилема, яку вирішив докторант

Опубліковано 15.10.20 о 16:20

Пояснення дифузії атомів у твердому тілі довгий час залишаються неповними. 120 років потому дослідники Монреальського університету в Канаді знаходять останню частину загадки, щоб вирішити дилему закону про компенсацію.

Дифузія певних атомів у міді змінює зовнішній вигляд і щільність матеріалу. Закон компенсації пояснює це явище.

Під керівництвом професора Норманна Муссо Саймон Гелін, докторант, що входить до Квебекської групи з передових матеріалів фізичного факультету Монреальського університету, вирішив наукову дилему, яка триває 120 років, із законом про компенсацію . Він погодився відповісти на запитання Science et Avenir щодо своєї роботи. Вони були опубліковані в журналі Nature Communications.

Sciences et Avenir: Що це за 120-річна фізична дилема, яку ви вирішили? ?

Саймон Гелін: Проблема, яку ми вивчали, полягає в моделюванні дифузії атомів у кристалічних твердих речовинах (див. Рамку нижче, примітка редактора). Наша робота встановила, що математичний взаємозв'язок, який до того часу використовувався емпірично для опису транспорту атомів у кристалах, справді є універсальним фізичним законом. Історично перше експериментальне дослідження цієї проблеми датується 1896 роком, коли Робертс-Остін, британський металург, вимірював швидкість, з якою золото проникає у свинець, коли ці два матеріали контактують. Для характеристики цієї швидкості ми використовуємо так званий коефіцієнт дифузії. Ідея Робертса-Остіна полягала у вивченні того, як цей коефіцієнт змінюється залежно від температури твердих речовин.

КРИСТАЛІН. Вивчаючи матеріал, важливо знати, чи є він кристалічним чи аморфним. Тверде тіло називають кристалічним, коли воно має багаторазове та упорядковане розташування атомів (алюміній - один з них). Аморфні тверді речовини, наприклад скло, мають невпорядковану атомну структуру.

Після цих перших вимірювань було проведено багато подібних експериментів із використанням все більш досконалих методів. Ще в 1950-х рр. Вони встановили, що коефіцієнт дифузії зростає експоненціально із збільшенням температури відповідно до закону, який називається законом Арреніуса. У 1951 році американський фізик Кларенс Зенер запропонував доповнити закон Арреніуса другим відношенням, що називається законом компенсації, але до цього часу фізичне походження та універсальність цього закону ніколи не були встановлені. Це те, що ми зробили у своєму дослідженні.

Що таке закон компенсації і з чого він складається ?

Sciences et Avenir: Що це за 120-річна фізична дилема, яку ви вирішили? ?

Саймон Гелін: Проблема, яку ми вивчали, полягає в моделюванні дифузії атомів у кристалічних твердих речовинах (див. Рамку нижче, примітка редактора). У нашій роботі було встановлено, що математичний взаємозв'язок, який до того часу використовувався емпірично для опису транспорту атомів у кристалах, справді є універсальним фізичним законом. Історично перше експериментальне дослідження цієї проблеми датується 1896 роком, коли Робертс-Остін, британський металург, вимірював швидкість, з якою золото проникає у свинець, коли ці два матеріали контактують. Для характеристики цієї швидкості ми використовуємо так званий коефіцієнт дифузії. Ідея Робертса-Остіна полягала у вивченні того, як цей коефіцієнт змінюється залежно від температури твердих речовин.

Після цих перших вимірювань було проведено багато подібних експериментів із використанням все більш досконалих методів. Ще в 1950-х рр. Вони встановили, що коефіцієнт дифузії зростає експоненціально із збільшенням температури, згідно із законом, який називається законом Арреніуса. У 1951 році американський фізик Кларенс Зенер запропонував доповнити закон Арреніуса другим відношенням, що називається законом компенсації, але до цього часу фізичне походження та універсальність цього закону ніколи не були встановлені. Це те, що ми зробили у своєму дослідженні.

Що таке закон компенсації і з чого він складається ?

Він доповнює закон Арреніуса для моделювання і, отже, точного управління атомним транспортом у кристалах. Це значне питання, оскільки дифузія лежить в основі безлічі кінетичних процесів, іноді шкідливих, таких як корозія сталевих тросів у бетоні, зміцненому киснем із повітря, інколи використовуються, наприклад, для виробництва електричних ізоляторів товщиною в кілька нанометрів за рахунок термічного окислення кремнію.

У кожному з цих процесів домішки дифузуються, «перескакуючи» з одного кристалічного майданчика на інший. Таким чином, на прикладі електричних ізоляторів атоми кисню рухаються послідовно стрибками в кремнії. Згідно із законом Арреніуса, частота стрибків і коефіцієнт дифузії експоненційно зменшуються з параметром, який називається "енергією активації". Це відповідає висоті бар’єру, який потрібно перетнути для активації стрибка. Подібно до коня, якому доводиться штовхати ноги, щоб мати достатню кінетичну енергію і піднятися через перешкоду, домішка повинна мати достатньо енергії для дифузії. Відповідно до закону Арреніуса, чим вище бар’єр, тим рідше стрибки і, отже, повільніше дифузія.

Закон компенсації доповнює це пояснення, показуючи, що однієї енергії активації недостатньо для прогнозування руху домішок. У кожному твердому тілі є температура, за якою домішки, які перетинають найвищі бар’єри, є тими, які, як це не парадоксально, найшвидше дифузуються. !

Тобто в дію входить інший параметр, щоб «збалансувати» швидкість дифузії ?

Так, дифузійний префактор є другим параметром закону Арреніуса. Відповідно до закону про компенсацію два параметри закону не є незалежними. Діють два механізми: із збільшенням енергії активації дифузія сповільнюється. За винятком одночасно, префактор також збільшиться і матиме протилежний ефект, тобто трохи прискорити трансляцію. Ось чому ми говоримо про "компенсацію".

З якими перешкодами стикалися дослідники, які вивчали це явище компенсації до вас ?

Основна складність виникає внаслідок того, що явище компенсації виникає лише шляхом накопичення великої кількості точних вимірювань двох параметрів закону Арреніуса. Повторіть вправу для різних домішок, що дифузують в одному і тому ж твердому тілі. Однак експериментально вимірювання однієї домішки є проблемою саме по собі. Повертаючись, наприклад, до експериментів Робертса-Остіна, потрібно було більше 80 років, щоб з упевненістю встановити, що дифузія золота у свинці підкоряється закону Арреніуса. Це дозволило отримати енергію активації та дифузійний префактор.

Але це ще не все, дві домішки з однаковою енергією активації можуть мати дуже різні префактори. Отже, якщо ми візьмемо ці речі по одному, ми не знайдемо стосунків. Тільки середнє значення набору вимірювань відповідає закону компенсації. Тому, щоб виділити цю середню поведінку, необхідно будувати великі бази даних, що займає багато часу.

Як ви зрозуміли його походження? ?

Для вивчення цієї проблеми ми використовували вдосконалені алгоритми, розроблені доктором Муссо. Вони дають можливість відновити за допомогою чисельного моделювання мільйони стрибків атомної дифузії в матеріалах. Це дозволило нам дуже точно показати явище компенсації в кількох твердих тілах. Спираючись на ці гігантські бази даних, ми також змогли точно визначити фізичне явище, яке стоїть за компенсацією. Щоб перейти з однієї точки в іншу, домішка повинна розірвати хімічні зв’язки з атомами навколо неї. Коли він досягає відповідного бар’єру, ці ланки, що мають бути розірвані, стають менш жорсткими, і це сприяє полегшенню його проходження.

Чи тому розділ закритий ?

У будь-якому випадку, тепер стає ясно, що компенсація насправді є фізичним законом і що вона регулює атомну дифузію в кристалах. Тому ми повинні продовжувати його вивчати, щоб точно зрозуміти, яким чином він пов’язаний із властивостями атомних взаємодій у кожному існуючому твердому тілі. Крім того, як ми вже обговорювали, закон компенсації описує середню поведінку, тому вивчення коливань щодо цього середнього залишається відкритим. Нарешті, пара закону Арреніуса - компенсація, судячи з усього, регулює низку інших кінетичних властивостей, включаючи швидкість багатьох хімічних реакцій. Було б цікаво зрозуміти, наскільки наше пояснення явища компенсації можна транспортувати до цих різних систем.

Щоранку отримуйте безкоштовні оновлення новин