Danske forskere udvikler ny teori for smeltning og frysning
Når man varmer et metal op, vil det på et tidspunkt begynde at smelte. Nu har fysikere fra RUC fundet ud af, hvordan den proces foregår ved forskellige tryk, for eksempel i Jordens indre.

En computermodel tillader fysikerne at få et indblik i, hvad der sker i det øjeblik, et metal smelter. Her er den venstre del blevet til en væske, mens atomerne stadig er arrangeret i et fast krystalgitter i højre del. (Illustration: Ulf R. Pedersen)

Flydende vand fryser til is, når det kommer i fryseren. Når isterningerne kommer i en drink, smelter de, og vandet bliver flydende igen.

Vi kender disse faseovergange fra dagligdagen, og vi har måske nok lært i skolen, at når et stof smelter, går det fra at have en ordnet, fast krystalstruktur til at have en uordnet, flydende struktur – og omvendt, når det fryser.

Men fysikken bag er faktisk ikke helt enkel.

Nu har fysikere fra Roskilde Universitet udviklet en ny teori for smeltning og frysning. I første omgang ikke for vand, men for mere simple stoffer, ikke mindst metaller som jern eller kobber.

Teorien fremgår af en artikel i det videnskabelige online-tidsskrift Nature Communications.

LÆS OGSÅ: Forskerne er blevet klogere på væsker

Forskerne håber, at det med teorien for eksempel bliver nemmere at beregne, hvordan metaller opfører sig under det ekstreme tryk, der er i planeters indre – hvordan en planets flydende indre størkner, efterhånden som den køler af ved at afgive sin indre varme til verdensrummet.

Smeltetemperaturen stiger med trykket

Postdoc Ulf Rørbæk Pedersen fra Institut for Naturvidenskab og Miljø på Roskilde Universitet er førsteforfatter på den videnskabelige artikel, og han vil gerne forklare, hvad teorien kan bruges til:

Den nye model for overgangen mellem fast og flydende ved forskellige tryk passer godt med virkeligheden. (Illustration: Ulf R. Pedersen)

»Når man øger trykket, stiger smeltetemperaturen typisk. Ved én atmosfæres tryk smelter jern for eksempel ved 1.538 grader celsius, men ved det høje tryk, der er i Jordens kerne, bliver jern først flydende ved over 5.000 grader.«

»Spørgsmålet er, hvordan smelte- og frysefænomenet ændrer sig, efterhånden som trykket stiger. Et interessant bud er Lindemanns teori fra 1910. Når en krystal opvarmes, bevæger molekylerne sig mere og mere i vibrationerne omkring deres positioner i krystallen. Lindemann foreslog, at krystallen på et tidspunkt simpelthen går i stykker og smelter, fordi vibrationerne bliver for voldsomme.«

»Nu kan vi for første gang beregne, hvor store vibrationerne skal være, før krystallen smelter, og det afhænger faktisk af trykket – modsat hvad Lindemann troede.«

LÆS OSGÅ: Dansk forsker vil forstå stoffers fjerde tilstandsform

Fysikerne kan også forudsige, hvor hurtigt væsken flyder, når smeltetemperaturen nås – hvor hurtigt atomerne begynder at bevæge sig rundt mellem hinanden.

Eller omvendt – hvor hurtigt atomerne omorganiserer sig og finder deres plads, når stoffet begynder at krystallisere.

Kan exoplaneter holde varmen?

Med teorien kan fysikerne tage udgangspunkt i, hvordan et metal smelter og fryser ved et bestemt tryk, og herudfra beregne, hvordan det opfører sig under andre forhold – også helt usædvanlig høje tryk.

»Jeg håber, vores teori kan bruges til at modellere de ekstreme forhold, der findes i kernen på Jorden og andre planeter, inklusive exoplaneter,« siger Ulf R. Pedersen.

»Så teorien kan fortælle, hvor hurtigt den indre krystal vokser, hvilket gør det lettere at beregne, hvor længe planeten er om at afgive sin varme.«

LÆS OGSÅ: Frys en øl på to sekunder

For exoplaneter, der kredser om andre stjerner end Solen, kan det have betydning for, hvor længe de kan holde sig varme nok til at have flydende vand på overfladen.

Det er vigtigt, for så vidt vides er vand i flydende form en forudsætning for liv.

Det er svært at forudsige, hvad den nye, danske teori ellers kan bruges til, for der er tale om grundforskning, hvor målet har været at opnå en bedre forståelse for smeltning og frysning. Forskningen har ikke været rettet mod et bestemt anvendelsesområde.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores Patrizia Kjole Sko Kvinde Fløjl Dini Peeptoe Lilla Violet qqTnR1gw herunder eller via en podcast-app på din smartphone.