Las superficies de hielo tienen una fina capa de agua por debajo de su temperatura de fusión de 0 grados centígrados. Tal fenómeno de prefusión es importante para el patinaje y el crecimiento de copos de nieve. De manera similar, el líquido a menudo cristaliza en una fina capa de cristal sobre un sustrato plano antes de alcanzar su temperatura de congelación, es decir, precongelación. El grosor de la capa superficial generalmente aumenta y diverge a medida que se acerca la temperatura de transición de fase (como fusión y congelación). Además de la fusión previa y la congelación previa, rara vez se ha explorado si existe un fenómeno superficial similar como precursor de una transición de fase.
El equipo de Han en HKUST propone que se puede formar una capa cristalina polimórfica en una superficie de cristal antes de la transición de fase cristal-cristal y la denomina transición pre-sólido-sólido. Si los átomos de carbono cerca de la superficie de un diamante pudieran reorganizarse en una red de grafito antes de alcanzar la temperatura de transición diamante-grafito, entonces sería una transición pre-sólido-sólido. El mecanismo es esencialmente el mismo que el de prefusión o precongelación : la capa superficial recién formada reduce la energía superficial del cristal. El equipo de Han señaló que es posible cuando dos cristales polimórficos pueden formar una interfaz coherente, es decir, las dos redes con el espaciado y las orientaciones de red adecuados coinciden perfectamente en la interfaz. Por lo tanto, la superficie del cristal polimórfico más denso puede formar una capa de cristal menos denso porque la interfaz cristal-cristal recién formada es coherente y casi no consume energía.
El equipo de Han confirmó además la transición presólido-sólido en experimentos y simulación por computadora. Descubrieron que la superficie de un cristal coloidal de película delgada con una red triangular puede formar una red cuadrada ya que su interfaz es coherente. El grosor de la capa superficial crece con la temperatura en una ley de potencia similar a la prefusión. Estos se confirman aún más por su simulación sobre átomos con diferentes interacciones.
La prefusión fue conjeturada por primera vez por Michael Faraday, el padre de la electricidad, en 1842, pero no se confirmó experimentalmente de manera inequívoca hasta la década de 1980. El segundo tipo de fenómeno, el precongelamiento, ha sido propuesto y observado en las décadas de 1950 y 1970. La transición presólido-sólido propuesta y observada por el equipo de Han es el tercer tipo de humectación superficial precursora de la transición de fase.
Aunque es un fenómeno bajo equilibrio térmico, encuentran que la capa cristalina superficial también puede existir en procesos fuera de equilibrio después de un cambio brusco de temperatura, como fusión, congelación y recocido policristalino. La capa superficial facilita los procesos, por lo que puede tener utilidad en la fabricación y procesamiento de materiales. La transición sólido-sólido trivial que ocurre en la superficie libre después de cruzar el punto de transición sólido-sólido se descarta del recocido policristalino, la regla de fase u otra evidencia. Además, encontraron las novedosas capas de superficie doble de líquido y red cuadrada en el régimen de temperatura superpuesto de prefusión y transición presólido-sólido.
Los coloides, como la leche, la pintura, la sangre, suelen ser suspensiones líquidas de pequeñas partículas del tamaño de una micra con movimientos brownianos. Las trayectorias de movimiento térmico de las partículas se pueden rastrear bajo microscopía óptica incluso dentro de la masa 3D de cristales o líquidos, que difícilmente se puede obtener en sistemas atómicos. Por lo tanto, los coloides se han utilizado como un poderoso sistema modelo para medir los procesos microscópicos en las transiciones de fase. « Nuestro trabajo muestra que los coloides también son efectivos para descubrir nuevos tipos de fenómenos, incluso para los comportamientos de fase bien conocidos en equilibrio térmico ». Han dijo : « Su mecanismo es simple y, por lo tanto, podría proponerse hace décadas, pero parece ser un punto ciego en la ciencia de los materiales. Una dirección futura es buscar este fenómeno en cristales atómicos o moleculares. A diferencia de la fusión previa que generalmente existe en la mayoría de los cristales, La transición presólido-sólido solo puede existir en cristales polimórficos con una interfaz coherente de baja energía. Sugerimos varios candidatos de cristales atómicos y moleculares con interfaces coherentes ».
Los cristales polimórficos suelen tener diferentes propiedades, por ejemplo, el grafito es blando, negro y conductor de electricidad, mientras que el diamante es duro, transparente y no conductor. Un cristal con una capa cristalina polimórfica tendría propiedades de superficie sintonizables y dicha capa puede regenerarse después de desgastarse o corroerse. Por lo tanto, debería ser un material muy útil en las aplicaciones.
El trabajo está financiado por el Consejo de Becas de Investigación de Hong Kong y la Fundación de Investigación Básica y Aplicada de Guangdong, y se ha publicado recientemente en Nature Physics.