Szkła są szczególnym rodzajem materiałów, których struktura atomowa, w odróżnieniu od ciał krystalicznych, nie jest regularna. Szkła są bezpostaciowe, co oznacza, że ich uporządkowanie na poziomie atomowym przypomina strukturę zamrożonej cieczy, jednakże są one mechanicznie sztywne i makroskopowo zachowują się jak ciała stałe. Najczęstszym sposobem otrzymywania szkła jest przechłodzenie cieczy. Proces ten polega na jej szybkim chłodzeniu od temperatury powyżej punktu topnienia, aż do tzw. temperatury zeszklenia, w której następuje zatrzymanie ruchów atomów i zamrożenie układu w stanie nieuporządkowanym. Proces ten musi być na tyle gwałtowny by wyprzedzić krystalizację próbki, Stan szklisty występuje naturalnie w przyrodzie, a przykładem mogą być tu szkła wulkaniczne, wykorzystywane przez ludzkość już za czasów epoki kamienia. W późniejszym okresie, egipscy rzemieślnicy, wykorzystując stopiony piasek, zapoczątkowali wytwarzanie syntetycznych szkieł krzemionkowych. Współcześnie, różnego rodzaju szkła są kluczowymi materiałami dla zastosowań przemysłowych, a ich obecność w życiu codziennym stała się powszechna.

Wraz z upływem czasu, szkła mają tendencję do przemiany w stan krystaliczny, czemu towarzyszy obniżenie energii układu. Zdolność szkłotwórcza cieczy, jak również trwałość samego szkła, są wynikiem zahamowania tego procesu. Różnice w zdolności szkłotwórczej rożnych cieczy, a co za tym idzie w szybkości chłodzenia niezbędnej do wytworzenia szkła, mogą być bardzo znaczące. Wspomniana powyżej krzemionka, ulega zeszkleniu niezwykle łatwo, ze względu na powolną dynamikę ruchów atomowych w cieczy przechłodzonej. Zupełnie odmienne zachowanie cechuje ciecze metaliczne, które są zazwyczaj układami o znikomej zdolności szkłotwórczej. Z powodu trudności z uzyskaniem fazy szklistej w metalach, historia szkieł metalicznych liczy sobie zaledwie nieco ponad pół wieku. Trudności te są wynikiem niezwykłej szybkości z jaką następują zmiany uporządkowania atomów w ciekłym metalu, w szczególności w zakresie temperatur, w którym krystalizacja jest najbardziej prawdopodobna, a prędkość przemieszczania się frontu krystalizacji sięga prędkości dźwięku (rzędu kilometrów na sekundę). Bardzo krótki czas trwania zachodzących w ciekłym metalu procesów krystalizacji jest zasadniczą przyczyną, dla której ich badanie stanowi wyzwanie z punktu widzenia pomiarów. Ograniczenie te sprawia również, iż nasza dotychczasowa wiedza na temat podstawowych mechanizmów powstawania szkieł metalicznych jest wciąż znikoma.

Zadaniem, które stawiamy sobie w niniejszym projekcie jest zbadanie ultraszybkiej krystalizacji szkieÅ‚ metalicznych. Dokonamy tego poprzez zastosowanie ultra-krótkich impulsów laserowych do przezwyciężenia opisanych powyżej ograniczeÅ„. W proponowanej metodzie, cienka warstwa szkÅ‚a metalicznego jest ogrzewana z szybkoÅ›ciÄ… rzÄ™du stu bilionów (10¹⁴) kelwinów na sekundÄ™, a nastÄ™pnie, po upÅ‚ywie kilkudziesiÄ™ciu pikosekund (1 ps=10^-12 s), ulega schÅ‚odzeniu w tempie biliona kelwinów na sekundÄ™. W toku planowanych prac, przeprowadzimy analizÄ™ procesu krystalizacji szkieÅ‚ metalicznych w zakresie od temperatury zeszklenia, aż do punktu topnienia, skupiajÄ…c siÄ™ na ultrakrótkich przedziaÅ‚ach czasu - od mikrosekund (1 μs=10^-6 s), aż do pikosekund. Naszym celem jest uzyskanie informacji iloÅ›ciowych o szybkoÅ›ci procesów zarodkowania i wzrostu kryształów zachodzÄ…cych we wspomnianych skalach czasu. DziÄ™ki zastosowaniu szybkiego ogrzewania i chÅ‚odzenia za pomocÄ… impulsów laserowych, odpowiedniemu wyborowi próbek oraz wykorzystaniu różnorodnych technik charakteryzacji strukturalnej, przeÅ›ledzimy ultra-szybkie przemiany pomiÄ™dzy stanem szklistym a krystalicznym w wybranych ukÅ‚adach metalicznych. Proponowany program badaÅ„ obejmuje próbkowanie materiaÅ‚u impulsami optycznymi, promieni rentgenowskich oraz elektronów, co pozwoli na uzyskanie peÅ‚nej informacji na temat przebiegu badanego procesu. W niniejszym projekcie, po raz pierwszy uzyskamy dane doÅ›wiadczalne na temat maksymalnej szybkoÅ›ci krystalizacji szklistych metali, a nasze unikalne, nowatorskie podejÅ›cie eksperymentalne umożliwi sformuÅ‚owanie poszukiwanych od dawna odpowiedzi na szereg istotnych pytaÅ„ odnoÅ›nie powstawania oraz stabilnoÅ›ci szkieÅ‚ metalicznych.