Wann schmilzt was? 100 Jahre altes Physik-Problem gelöst

Wir alle wissen, dass viele Feststoffe durch Hitze flüssig werden. Ebenfalls bekannt sind die 3 möglichen Zustände, die Stoffe haben können: fest, flüssig und gasförmig.

Trotz dieser banal wirkenden Grundlagen zerbrechen sich Forscher*innen seit mehr als 100 Jahren darüber, wann Materialien schmelzen. Denn die präzise Vorhersage von Schmelzpunkten verschiedener Materialien gilt als schwierig.

Diagramm für Druck und Hitze

Bisher verwendeten Forscher*innen für die Bestimmung eines stofflichen Zustandes sogenannte Temperatur-Druck-Phasendiagramme. Diese Darstellungen zeigen die stofflichen Zustandsphasen mit Linien, die sie voneinander trennen. Während auf der X-Achse die Temperatur dargestellt wird, beschreibt die Y-Achse den Druck, der angewandt wird.

Eine eigene Schmelzlinie zeigt dort, wann ein Material vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Genau für diese Linie fehlte bisher allerdings eine allgemeingültige Erklärung, die auf verschiedene Materialen anwendbar ist.

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Neue Theorie zur Berechnung der Schmelzlinie

Der britische Forscher Kostya Trachenko entwickelte nun eine neue Theorie für genau diese Linie. Indem er andere neue Forschungsergebnisse miteinbezog, konnte er die Linie mit einer parabolischen Gleichung bestimmen. Mit seiner universellen Berechnungsmethode kann der Forscher angeblich die Schmelzpunkte für verschiedene Materialarten zuverlässig vorhersagen. 

Maßgeblich dafür ist die Beobachtung, dass wichtige Parameter der Gleichung von physikalischen Konstanten bestimmt werden. Dazu gehöre etwa die Planck-Konstante, die Elektronenladung und -masse. Laut dem Physiker sei es ihm damit gelungen, eine einfache und universelle Vorhersagemethode zu entwickeln: "Es deutet darauf hin, dass das Schmelzen trotz seiner Komplexität eine fundamentale Einheit über diverse Systeme hinweg aufweist, von Edelgasen bis zu Metallen",  erklärt Trachenko in einer Presseaussendung.

Von Materialforschung bis hin zu Medikamenten

Die neuen Forschungsergebnisse zu der Schmelzpunktvorhersage könnten für viele technische Bereiche eine gute Nachricht sein. Denn die genaue Bestimmung, ab wann ein Material schmilzt, ist für eine große Zahl an Disziplinen wichtig – egal ob für die Erforschung von Materialien, die Entwicklung von Medikamenten oder in anderen Bereichen, wo Temperatur-Druck-Phasendiagramme zum Einsatz kommen. 

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Allerdings gibt es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auch Zweifel an Trachenkos Ergebnissen – so meinte der Forscher Sergey Kharpak vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt gegenüber New Scientist, dass die neue Theorie erst umfangreich getestet werden müsse, um zu sagen, ob sie tatsächlich so zuverlässig ist, wie der Forscher sagt.