An atomically smooth container: Can the native oxide promote supercooling of liquid gallium?

过冷 成核 氧化物 熔点 差示扫描量热法 材料科学 冰点 金属 化学物理 化学 热力学 冶金 复合材料 物理
作者
Ishan D. Joshipura,Chung Kim Nguyen,Colette F. Quinn,Jiayi Yang,Daniel Humphrey Morales,Erik E. Santiso,Torben Daeneke,Vi Khanh Truong,Michael D. Dickey
出处
期刊:iScience [Cell Press]
卷期号:26 (4): 106493-106493 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.isci.2023.106493
摘要

Metals tend to supercool-that is, they freeze at temperatures below their melting points. In general, supercooling is less favorable when liquids are in contact with nucleation sites such as rough surfaces. Interestingly, bulk gallium (Ga) can significantly supercool, even when it is in contact with heterogeneous surfaces that could provide nucleation sites. We hypothesized that the native oxide on Ga provides an atomically smooth interface that prevents Ga from directly contacting surfaces, and thereby promotes supercooling. Although many metals form surface oxides, Ga is a convenient metal for studying supercooling because its melting point of 29.8°C is near room temperature. Using differential scanning calorimetry (DSC), we show that freezing of Ga with the oxide occurs at a lower temperature (-15.6 ± 3.5°C) than without the oxide (6.9 ± 2.0°C when the oxide is removed by HCl). We also demonstrate that the oxide enhances supercooling via macroscopic observations of freezing. These findings explain why Ga supercools and have implications for emerging applications of Ga that rely on it staying in the liquid state.
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