Замороженное обучение

  1. Различные состояния концентрации
  2. Как вы объясните переохлаждение?
  3. Глубокое переохлаждение в металлах
  4. Переохлаждение в полупроводниковых наноструктурах
  5. Эксперимент с переохлаждением

Перевод Марты Тондеры. Когда мы охлаждаем вещество ниже его точки замерзания, его физическое состояние меняется на постоянное - по крайней мере, мы ожидаем этого. Тобиас Шулли расследует, почему это не всегда так. Перевод Марты Тондеры

Изображение предоставлено
ktsimage / iStockphoto

Как это возможно, что облака на большой высоте, при температуре ниже 0 ° C, состоят из крошечных капель воды, а не льда? Фактически, жидкости при определенных условиях могут оставаться жидкими значительно ниже точки замерзания. Хотя это явление, известное как переохлаждение, было обнаружено в 1724 году Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом ( Фаренгейт, 1724 ), до сих пор является предметом многих исследований.

Различные состояния концентрации

Для ученых жидкость представляет собой интересное состояние концентрации между упорядоченным и неупорядоченным. Наилучшим примером неупорядоченного состояния материи является идеальный газ: тепловые движения отдельных атомов (или молекул) настолько важны, что силы притяжения между ними не имеют значения, и они могут свободно перемещаться в пространстве. Однако в то же время, находясь в постоянном фокусе, каждый атом остается на своем месте, тесно связанный со своими «соседями». В результате оптимизации химических связей и их энергии атомы более плотно расположены в повторяющейся трехмерной структуре, называемой кристаллом. Следовательно, то, что мы называем твердым телом, обычно является кристаллическим телом.

В жидкости, промежуточном состоянии агрегации, соседние атомы находятся в контакте, как в твердых телах (оба эти состояния называются конденсированным веществом), но отдельные атомы могут свободно перемещаться, предотвращая образование идеального кристаллического рисунка. Таким образом, плотность жидкости (по сравнению с газом) не сильно отличается от плотности твердых веществ (см. Рисунок 1).

Рисунок 3: Красный круг
находится в метастабильном состоянии;
останется в этом состоянии
только если условия не
изменить.Синий круг
находится в переходном состоянии
(нестабильно) и стремится к
устойчивое состояние,
показано черным
снова и снова.Любое нестабильное состояние
он будет стремиться к стабильности,
в то время как состояние
метастабильный требует
определенные условия, которые
сделать то же самое

Изображение предоставлено
Тобиас Шулли

Хотя жидкости считаются неупорядоченными, атомы местами могут сливаться в небольшие группы, которые называют локальным порядком . Физические свойства этого состояния очень трудно проверить экспериментально, но считается, что локальный порядок играет главную роль в переходе веществ из неупорядоченной фазы в упорядоченную.

Находится ли вещество в газообразном, твердом или жидком состоянии, зависит от температуры и давления. При атмосферном давлении лед тает при 0 ° С, ртуть - при -39 ° С и золото - при 1064 ° С. Когда эти вещества нагреваются, твердые вещества (кристаллы) будут плавиться при заданных температурах. Однако это правило не всегда работает наоборот: когда жидкость охлаждается до точки затвердевания, можно образовать кристалл, но не всегда точно при этой температуре (рис. 2). В заштрихованной области рисунка чистая жидкость (без центров кристаллизации) останется жидкой. Эта жидкость называется переохлажденной. Такое состояние агрегации называется метастабильным (рисунок 3).

Как вы объясните переохлаждение?

Первое объяснение переохлаждения происходит от физики кристаллизации. Для формирования кристалла необходим центр регулярно расположенных атомов, вокруг которых могут расти кристаллы. Кристаллизация обычно происходит, когда жидкость находится в контакте с твердым веществом или содержит центры кристаллизации; бывает, что жидкость имитирует упорядоченную структуру соседней поверхности. Этот процесс называется гетерогенной нуклеацией, которая запускается эмбрионом.

В отсутствие кристаллического твердого вещества самопроизвольное образование большой регулярной структуры неупорядоченной жидкости маловероятно. Хотя небольшое количество атомов может автоматически создать регулярную систему, эти кластеры обычно слишком малы, чтобы быть центром кристаллизации, и быстро растворяются в жидкости. Поэтому чистая жидкость должна быть значительно переохлаждена, чтобы происходило гомогенное зародышеобразование; несколько атомов в жидкости самопроизвольно устанавливаются подходящим образом для создания достаточно большого и стабильного кристалла, который можно использовать в качестве зародыша для дальнейшего роста (рис. 4).

Большинство крошечных капель воды, образующих слоистые и вихревые облака, не содержат кристаллических зародышей; эти капли могут оставаться жидкими при температуре значительно ниже 0 ° C.

Глубокое переохлаждение в металлах

Более впечатляющими, чем вода, которая может быть переохлаждена только примерно до 40 градусов ниже температуры плавления 0 ° C, являются металлы, которые могут оставаться жидкими даже на несколько сотен градусов ниже своей точки затвердевания. Это явление известно как глубокое переохлаждение и требует от ученых выхода за пределы теории нуклеации для объяснения метастабильности жидкостей ( Тернбулл, 1952 ).

Исследователи подозревали, что внутренняя структура некоторых жидкостей может быть несовместима с кристаллизацией. В 1950-х годах Фредерик Чарльз Франк предположил, что более плотное расположение небольшого числа атомов может отличаться от локальных кристаллов, и что эти скопления в жидкости расположены таким образом, что они не могут служить центром кристаллизации ( Франк, 1952 ).

Рисунок 6: Два примера
структуры, несовместимые с
образование кристаллов:
(а) икосаэдр,
настолько плотный, насколько это возможно
для тринадцати атомов.
(б) кластер из семи атомов
с пятиугольной симметрией.

Изображение предоставлено
Тобиас Шулли

В качестве модели Фрэнк использовал икосаэдр; Центральный атом с еще двенадцать вокруг. Такая пятиугольная структура симметрии не может служить основой кристалла. В общем, кристаллическая структура должна повторяться в трех измерениях, как кирпичи в стене. Например, кубическая ориентация идеальна для кристалла, потому что она и плотная, и правильная.

Используя двумерное сравнение, треугольники, прямоугольники или кубы идеально вписываются в плоскость, в отличие от пятиугольников (рис. 5). В трех измерениях пятиугольные структуры не соответствуют образованию кристалла (рис. 6).

Последние модели и теоретические модели подтверждают идею Фрэнка, предполагая, что значительная часть атомов в жидкостях сама сгруппирована с пятиосной симметрией, которая является препятствием для кристаллизации. Однако до сих пор мало экспериментов позволили визуализировать пятиугольную симметрию в жидкостях ( Райхерт и др., 2000 ).

Переохлаждение в полупроводниковых наноструктурах

Моя первая встреча с явлением переохлаждения была случайной. Собственно, тема моего исследования в команде в CEA w1 В Гренобле Франция должна была понять и усовершенствовать современные методы выращивания полупроводниковых наноструктур. В этих методах процессы коагуляции и нуклеации являются решающими. Внимание нашей команды привлек отчет о переохлаждении металлических капель полупроводниковых сплавов: эти капли позволили нам изучить влияние кристаллического ядра (поверхности кремния) на затвердевание сплава.

Мы поместили маленькие капли (0,1-0,2 мкм) жидкого сплава золота с кремнием на поверхность кремния, предварительно подготовленную в условиях вакуума, стандартную процедуру, используемую в обработке полупроводников. Мы наблюдали, что при контакте с поверхностью кристалла капли оставались жидкими при 240 ° С, что значительно ниже их точки замерзания (363 ° С). Чтобы понять это необычайное явление переохлаждения (которое обычно наблюдается в отсутствие затравочных кристаллов), мы провели эксперимент в Европейском центре синхротронного излучения (Европейский центр атомного синхротрона). w2 также в Гренобле. Распространение очень интенсивного рентгеновского излучения, генерируемого в синхротроне, является единственным способом получения информации о расположении атомов в жидкости и на поверхностях твердых тел.

Мы установили лучи практически параллельно поверхности кристалла кремния, на которую были помещены капли сплава золота с кремнием. Всего лишь 0,1 ° (метод, называемый «падением»), рентгеновские лучи отражаются от поверхности кремния и проникают в капли. Рассеяние лучей дает информацию о расположении атомов в слое кремний-кремний и в структуре капли.

Эти эксперименты позволили определить агрегатное состояние (жидкое или кристаллическое) охлажденных капель и точное распределение атомов верхнего поверхностного слоя кремния. Результаты излучения показали, что в верхнем слое поверхности кремния атомы расположены в пятиугольной симметрии. На этой поверхности капли оставались жидкими даже после охлаждения выше 100 градусов ниже их точки замерзания.

Более точный анализ поверхности контакта между жидкостью и твердым телом показал, что эти пятиугольные структуры на поверхности образовали один слой атомов золота, плотно прилегающий к кристаллу кремния. Как объяснено выше, мы обычно ожидаем имитировать структуру твердого тела жидкостью, когда они находятся в контакте, вызывая гетерогенное зародышеобразование. Наши измерения показали, что такая имитация поверхностной структуры имеет место, но она может иметь противоположный эффект: структура, несовместимая с созданием трехмерного кристалла, может заставить локальную жидкость принять «неправильную» настройку. Вместо того, чтобы вызвать гетерогенное зародышеобразование, это стабилизирует переохлажденную жидкую фазу (см. Рисунок 7).

После 60 лет исследований по закалке металлов этот опыт в конечном итоге показывает, что пятиосная симметрия влияет на метастабильность жидкостей ( Шулли и др., 2010 ; Грир, 2010 ).

Рисунок 7: Все капли жидкого сплава золота с силиконом были расплавлены при одинаковой температуре.Однако при их охлаждении различия в кристаллической поверхности кремния, на которой осаждались капли, влияли на температуру их кристаллизации.
(а) Когда кристалл кремния был разрезан вдоль кубических стенок, атомы кремния на поверхности, контактирующей с каплями, образовывали квадратную сеть.На этой поверхности капли кристаллизовались примерно на 60 К ниже точки затвердевания.Результаты рентгеновских лучей показали, что капли кристаллизовались в форме и направлении кремниеподобных кристаллов, на которых они осаждались.
(б) Когда кристалл кремния был разрезан по диагонали куба, атомы кремния на поверхности, контактирующей с каплями, образовали треугольную сетку.Капли на этой поверхности кристаллизовались на 70 К ниже точки затвердевания.Рентген показал, что эти капли также кристаллизовались в форме и направлении, аналогичном кристаллу, на котором они осаждались.
(c) Кристалл кремния был разрезан, как в b, но подвергнут специальной термической обработке, которая привела к образованию пятиугольной структуры атомов золота, контактирующих с поверхностью кремния.На этой поверхности капли оставались в метастабильной жидкой фазе до 120 К ниже точки затвердевания - они были глубоко переохлаждены.

Изображение предоставлено Тобиасом Шулли

Эксперимент с переохлаждением

Поместите бутылку минеральной воды еще в морозилку на 1-2 часа. По истечении этого времени вода должна быть от -10 до -5 ° С. Поскольку в воде не должно быть твердых примесей, она должна быть жидкой даже при этой температуре - она ​​переохлаждена.

Осторожно достаньте бутылку из морозилки и затем ударьте ее о стол или руку. Следует увидеть, как вода замерзает, и образование льда очень быстро проходит по всей бутылке. Кристаллизация была вызвана ударной волной, проходящей через жидкость. (Ударная волна является еще одним объяснением того, почему самолеты оставляют после себя видимый след кристаллов воды).

Этот эффект может быть достигнут только в жидкостях, которые не содержат семян, которые могут вызвать кристаллизацию. Это маловероятно в водопроводной воде, которая может содержать кристаллические примеси, которые вызывают кристаллизацию ближе к точке плавления (точка замерзания) воды.

Примечание: не оставляйте бутылку в морозильной камере слишком долго, потому что вода при температуре ниже -10 ° C замерзает даже тогда, когда в ней нет кристаллических примесей.

Похожие

Как избежать вредоносных программ
Вот наиболее распространенные способы заражения вашего компьютера вредоносным ПО: Устаревшие антивирусные и непатентованные устройства . Единственное наиболее важное действие, которое пользователь компьютера может сделать, чтобы сохранить защиту, - это использовать современную антивирусную защиту и устанавливать исправления / обновления на ваше устройство. Обновите прикладное программное обеспечение с помощью новейших исправлений. Всегда
Посмотрите, как сделать сайт бесплатно
Итак, вам интересно, как сделать сайт? Лучшее: в одиночку, бесплатно и быстро? Вы пришли в нужное место. Потратьте около десятка минут, чтобы прочитать это руководство, благодаря которому вы узнаете, как сделать сайт бесплатно. Создание сайтов проще, чем вы думаете! В этом руководстве вы узнаете: - Как сделать сайт за несколько минут с помощью создателя сайта. - Как сделать сайт самостоятельно, не платя тысячи злотых компании,
Как записать звук с компьютера
Если вы хотите записывать звуки и музыку, воспроизводимые на вашем компьютере, вам не нужно устанавливать какие-либо дополнения или программы. Всего несколько кликов в настройках компьютера. Запись звука на компьютер может быть полезна, если вы хотите быстро зарегистрировать голосовой вызов из программы обмена мгновенными сообщениями или части радиопрограммы. Практически мы можем записывать каждый звук, музыку и т. Д., Которые воспроизводятся на компьютере.
Как сделать конверт из бумаги А4?
Интересный конвертик с листа А4 может стать прекрасным дополнением для любого подарка. Даже сама ненужная вещь, упакованная в самодельный красивый конверт, станет хорошим жестом, который выразит ваше уважение и любовь к получателю. Такой конверт может сделать практически каждый человек! Поделка конвертов из бумаги А4 - стартовый уровень оригами. Что Вам понадобится для того, чтобы сделать конверт? Сразу стоит отметить, что не смотря на значительный размер
Как добавить 360-градусную графику в Facebook
... ворчество в сети - ключ к получению получателя. Как это сделать, так как все уже было там? Ну, просто чтобы освежить давно забытые пятерки на 360 градусов на FB. Раньше вам приходилось делать 360-градусную фотографию, чтобы Facebook мог интерпретировать ее как панорамное изображение, но если бы мы захотели вставить изображение, была проблема, которую я решу в этом посте. Благодаря этому вы сможете удивиться вашим творческим возможностям. Это отличный способ оживить вашу корпоративную страницу
Windows 10, как выйти из Магазина Windows
В этом руководстве мы покажем вам, как легко выйти из Магазина Windows в Windows 10. Если вам не нужно использовать репозиторий с играми и приложениями в Windows, вы можете быстро избавиться от этого инструмента. Приглашаем вас ознакомиться с нашим гидом. Для использования Магазина Windows у нас должна быть учетная запись Microsoft ID. При первом входе в Windows 10 вы не только создаете имя входа в систему, но и позже используете его для использования
Как заблокировать сайты
Хотите запретить всем пользователям ПК с Windows открывать определенные веб-сайты независимо от используемого ими браузера или времени суток? Вам нужно всего лишь сделать несколько простых дополнений в файле хостов Windows. Этот метод прост и бесплатен, и он не требует загрузки или установки какого-либо дополнительного программного обеспечения. Это эффективный метод ограничения доступа пользователей всех возрастов к контенту, доступ к которому вы не хотите. Как заблокировать сайты на
Безопасность iPhone, Как безопасно использовать ваш iPhone
Последнее обновление: 18.05.2008 Мэтью Грин, уважаемый криптограф и профессор Джона Хопкинса, имеет отличная статья о безопасных вычислениях - Настольные ПК против смартфонов, iOS против Android и многое другое .. Большинство
Как проверить модель материнской платы без коробки
Вам нужно проверить модель вашей материнской платы? Самый простой способ посмотреть на коробку ... хуже, если мы ее выбросили или потеряли. К счастью, есть и другие способы проверить вашу материнскую плату и не включать поиск коробки от шкафов.
Как использовать Instagram и привлечь подписчиков?
... вой деятельности. Это совершенно уникальный сайт социальной сети, потому что контент рекламного персонажа здесь даже желателен для пользователей. Однако ни в коем случае это не может быть настойчивая реклама! То, что имеет значение, является содержанием, или скорее изображениями, возвышенным. Как начать публиковать фотографии в Instagram? Войдите в Instagrama, используя свой адрес электронной почты. Выберите имя, которое четко описывает, что вы
Как получить доступ к настройкам вашего Wi-Fi роутера
Ваш роутер хранит настройки для вашего домашняя сеть Wi-Fi , Поэтому, если вы хотите что-то изменить, вы должны войти в программное обеспечение вашего маршрутизатора, также известное как прошивка. Оттуда вы можете переименовать свою сеть, изменить пароль, настроить уровень безопасности, создать гостевую сеть, а также настроить или изменить множество других параметров. Но как попасть в свой

Комментарии

Вы когда-нибудь задумывались, как вы можете щелкнуть ссылку на веб-странице и быстро перейти на другую страницу сервера на полпути по всему миру?
Вы когда-нибудь задумывались, как вы можете щелкнуть ссылку на веб-странице и быстро перейти на другую страницу сервера на полпути по всему миру? Или отправить электронное письмо тете Алисе или дяде Бобу, используя только их простые адреса электронной почты? Все это зависит от DNS или системы доменных имен . Это то, что позволяет вашему компьютеру находить macworld.com, отслеживая тот факт, что это доменное имя соответствует IP-адресу 70.42.185.230, и этот числовой адрес является хостом
Но вы когда-нибудь задумывались, как далеко находятся звезды и как далеко измеряется это расстояние?
Но вы когда-нибудь задумывались, как далеко находятся звезды и как далеко измеряется это расстояние? Это тема для одного из следующих эпизодов «Мир за три минуты». Я приглашаю тебя 🙂 Подписка на новости: Itunes | андроид | RSS подача Графика, изображающая прецессию Земли: По Tfr000 (разговор)
Как бы вы сравнили ваш опыт с Мраморной альтернативой Google Планета Земля?
Как бы вы сравнили ваш опыт с Мраморной альтернативой Google Планета Земля? Дайте нам знать в комментариях! Альтернатива Google Earth
Как вы защищаетесь от угона телефона?
Как вы защищаетесь от угона телефона? Федеральная торговая комиссия имеет детали Не используйте свой номер мобильного телефона в первую очередь! Используйте двухфакторную аутентификацию, которая использует физический ключ или приложение Google Authenticator, а не текст
Вы не можете программировать (к счастью, программирование не понадобится вам!) И удивляетесь, как сделать сайт?
Вы не можете программировать (к счастью, программирование не понадобится вам!) И удивляетесь, как сделать сайт? Сначала вам нужно выбрать инструмент, который облегчит его. Прежде всего, я не советую спрашивать людей, которые могут их программировать. Их выбор всегда будет зависеть от Wordpress. Однако я не рекомендую Wordpress . Почему? Это просто сложно использовать . Хотя можно быстро создать сайт с использованием шаблона, простой переход
Как вы будете общаться со зрителями?
Как вы будете общаться со зрителями? И если у вас уже есть собственный веб-сайт или, возможно, вы даже работаете в сфере электронной коммерции - как вы объединяете видео на YouTube со своей деятельностью, чтобы обе эти сферы поддерживали друг друга? Помните, что качество контента является наиболее важным и решающим фактором ранжирования ваших видео. Даже самое оптимизированное видео не принесет вам никакой прибыли, если оно неинтересно, вторично или лишено самой
Как вы познакомились?
Как вы познакомились? И как возникла идея создать такое устройство, которое бы всесторонне обеспечивало потребности собаки? Мы познакомились друг с другом не через наших собак во время прогулки. Когда я встретил Мишу, я был взволнован тем, как красиво она поправляет своих собак. Талант от природы. Я не понимал, почему он не использовал свой талант профессионально. Миша глухая, и хотя она очень умная и чуткая женщина, она очень тяжело искала работу или,
Вы знаете, что вам нужно написать интеграционные тесты, так почему вы этого не делаете?
Вы знаете, что вам нужно написать интеграционные тесты, так почему вы этого не делаете? В этой статье вы узнаете, как писать читаемые и компонуемые интеграционные тесты с примерами в приложениях на основе API. Пока мы будем использовать JavaScript / Node.js для всех примеров кода в этой статье большинство обсуждаемых идей можно легко адаптировать к интеграционным тестам на любой платформе. Модульные
В: В мире, где каждый может найти практически все на YouTube бесплатно, можете ли вы зарабатывать на жизнь, продавая свои видео в Интернете?
В: В мире, где каждый может найти практически все на YouTube бесплатно, можете ли вы зарабатывать на жизнь, продавая свои видео в Интернете? A: Да, вы можете (также см. 8 причин, по которым люди платят за контент, когда они могут получить его бесплатно ) Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, мы знаем. Но у Uscreen есть цифры, чтобы доказать,
В более ранних версиях Windows лучший браузер, который вы можете запустить сегодня - это, безусловно, Google Chrome , Но как насчет Windows 10?
Можете ли вы научить других, как вязать или шить? Вы эксперт в определенном виде спорта? Можете ли вы показать другим, как реконструировать их дом? Вы программист или графический дизайнер? Вы артист? Вы режиссер? Чтобы проверить, насколько ваша идея приносит прибыль, попробуйте предложить бесплатное видео через свой блог или YouTube и оцените прием. Кроме того, проведите серьезное исследование на других сайтах, таких как Lynda,
Итак, как вы можете легко и быстро создать надежную сеть в вашем доме?
Итак, как вы можете легко и быстро создать надежную сеть в вашем доме? Вопреки внешнему виду, это не сложная задача. В несколько шагов мы проведем вас через все этапы этого процесса, начиная с выбора таких базовых устройств, как маршрутизатор или коммутатор, и заканчивая передовыми решениями, такими как банки данных и устройства Powerline. Маршрутизатор - ваши ворота в виртуальную реальность Что делать, когда мы настроили Интернет, и у нас уже есть кабель,

Как вы объясните переохлаждение?
Лучшее: в одиночку, бесплатно и быстро?
Как сделать конверт из бумаги А4?
Что Вам понадобится для того, чтобы сделать конверт?
Как это сделать, так как все уже было там?
Как использовать Instagram и привлечь подписчиков?
Как начать публиковать фотографии в Instagram?
Вы когда-нибудь задумывались, как вы можете щелкнуть ссылку на веб-странице и быстро перейти на другую страницу сервера на полпути по всему миру?
Или отправить электронное письмо тете Алисе или дяде Бобу, используя только их простые адреса электронной почты?
Но вы когда-нибудь задумывались, как далеко находятся звезды и как далеко измеряется это расстояние?
IRC (Internet Relay Chat)