Theorie der unterkühlten Schmelze bestätigt

Das von Wassertropfen bekannte Phänomen konnte auch bei Nanodrähten aus Gold und Silizium beobachtet werden.

Forscher der Französischen Behörde für Atomenergie und alternative Energien (CEA), des Französischen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) und der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) haben Schlüsselelemente für die Erklärung der Theorie der unterkühlten Schmelze gefunden. Dieses Phänomen bezeichnet den Zustand, in dem eine Flüssigkeit nicht gefriert, obwohl sie sich unter ihrer Kristallisationstemperatur befindet. Solche Erscheinungen sind beispielsweise bei Wassertropfen in Wolken zu beobachten.

Bei Unterkühlung muss die Flüssigkeit sehr rein sein und darf keine Kristallkeime enthalten. Die extreme Reinheit der Flüussigkeit verhindert die Kristallisation. Das Phänomen der Unterkühlung wurde 1724 von Fahrenheit entdeckt. Die aktuellen Theorien gehen davon aus, dass die innere Struktur von Flüssigkeiten mit der Kristallisation inkompatibel ist. Laut dieser Theorien organisieren sich die Atome in einer Fünfeck- Struktur. Für die Bildung eines Kristalls ist jedoch eine sich periodisch aufbauende Struktur erforderlich, um den Raum auszufüllen, was die fünfeckige Struktur nicht ermöglicht. Für eine Kristallisation muss die fünfeckige Struktur aufgebrochen werden, so dass sich die Atome in einer neuen Struktur anordnen können.

Bei der Untersuchung von Nanodrähten aus Gold und Silizium für die Nanoelektronik konnten die Forscher der ESRF dieses Phänomen beobachten - die Metall/Halbleiter-Legierung blieb auch unter ihrer Kristallisationstemperatur flüssig. Mit Hilfe der Synchrotronstrahlung konnten die Forscher die Fünfeck-Theorie überprüfen. Tobias Schülli, einer der Autoren der Studie, fasste die Versuche wie folgt zusammen: "Wir konnten beobachten, was in einer Flüssigkeit auf eine Oberfläche mit einer 5-Symmetrie-Struktur (wie ein Fünfeck) passiert. In diesem Fall entsteht eine starke Unterkühlung, was auf einer Oberfläche mit einer 3-oder 4-Symmetrie nicht beobachtet werden kann." Die Studie eröffnet neue Forschungsfelder in der Mikroelektronik und der Metallurgie.

Französisches Zentrum für wissenschaftliche Forschung

AL