Исследователи обнаружили новое гибридное состояние вещества
Учёные выяснили, что не все атомы в жидкости находятся в движении: некоторые остаются неподвижными независимо от температуры. Это существенно влияет на процесс затвердевания, включая формирование необычного состояния материи — ограниченной переохлаждённой жидкости.
Формирование твёрдых тел имеет важное значение в различных природных процессах, включая минерализацию, образование льда и свёртывание белковых фибрилл. Оно также играет значительную роль в технологических приложениях, таких как фармацевтика и отрасли, использующие металлы, например, авиация, строительство и электроника.
Метод исследования
Учёные из Ноттингемского университета и Ульмского университета в Германии использовали просвечивающую электронную микроскопию для визуализации процессов затвердевания нанокапель расплавленного металла. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.
Профессор Андрей Хлобыстов, возглавлявший команду, сказал: «Когда мы рассматриваем материю, мы обычно думаем о трёх состояниях: газе, жидкости и твёрдом теле. Хотя поведение атомов в газах и твёрдых телах проще понять и описать, жидкости остаются более загадочными».
Поведение атомов в жидкостях
Атомы в жидкостях движутся сложным образом, напоминая толкающуюся толпу людей. Они постоянно и быстро проходят мимо друг друга, всё ещё взаимодействуя друг с другом.
Изучение поведения атомов в жидкостях может быть сложной задачей, особенно на критическом этапе, когда жидкость начинает затвердевать. Этот этап имеет решающее значение, поскольку он определяет структуру и многие функциональные свойства материала.
Доктор Кристофер Лейст, проводивший эксперименты по просвечивающей электронной микроскопии в Ульме с использованием уникального прибора low-voltage SALVE, сказал: «Мы начали с плавления металлических наночастиц, таких как платина, золото и палладий, нанесённых на атомарно тонкую подложку — графен. Мы использовали графен в качестве своего рода жаровни для этого процесса, чтобы нагреть частицы, и, как и ожидалось, их атомы начали быстро двигаться. Однако, к нашему удивлению, мы обнаружили, что некоторые атомы оставались неподвижными».
Результаты исследования
Исследователи обнаружили, что неподвижные атомы сильно связаны с материалом подложки в местах точечных дефектов даже при очень высоких температурах. Они смогли увеличить количество дефектов, сфокусировав электронный луч, и таким образом контролировать количество неподвижных атомов в жидкости.
Профессор Уте Кайзер, которая создала центр SALVE в Ульмском университете, сказала: «Наши эксперименты удивили нас, поскольку мы непосредственно наблюдаем волново-частичную двойственность электронов в электронном луче. Мы визуализируем материал, используя электроны в качестве волн. В то же время электроны ведут себя как частицы, доставляя дискретные импульсы, которые могут либо перемещать, либо, как ни удивительно, даже фиксировать атомы на краю жидкого металла. Это замечательное наблюдение позволило нам открыть новую фазу материи».
Влияние на процесс затвердевания
Команда ранее сообщала о плёнках химических реакций с участием отдельных молекул, включая первый случай разрыва и образования химической связи в реальном времени. Их метод позволяет наблюдать химические процессы на атомном уровне.
В этом исследовании учёные обнаружили, что неподвижные атомы влияют на процесс затвердевания. Когда их мало, кристалл формируется непосредственно из жидкости и продолжает расти до тех пор, пока вся частица не затвердеет. Однако когда количество неподвижных атомов велико, процесс затвердевания значительно нарушается, препятствуя образованию кристалла.
Профессор Андрей Хлобыстов из Ноттингемского университета сказал: «Эффект особенно заметен, когда неподвижные атомы создают кольцо, которое окружает жидкость. Как только жидкость оказывается в ловушке этого атомного «загона», она может оставаться в жидком состоянии даже при температурах, значительно ниже точки замерзания. Для платины эта температура может составлять 350 градусов Цельсия — это более чем на 1000 градусов ниже того, что обычно ожидается».
Ниже определённой температуры ограниченная жидкость затвердевает не в кристаллическую форму, а в аморфное твёрдое тело. Эта аморфная форма металла крайне нестабильна и поддерживается только за счёт ограничения неподвижными атомами. Когда ограничение нарушается, напряжение снимается, позволяя металлу трансформироваться в свою обычную кристаллическую структуру.
Доктор Джесум Алвес Фернандес, эксперт по катализу в Ноттингемском университете, сказал: «Открытие нового гибридного состояния металла имеет большое значение. Поскольку платина на углероде является одним из наиболее широко используемых катализаторов в мире, обнаружение ограниченного жидкого состояния с неклассическим фазовым поведением может изменить наше понимание того, как работают катализаторы. Это достижение может привести к созданию самоочищающихся катализаторов с улучшенными активностью и долговечностью».
Пока что ограничение на наноуровне было достигнуто только для фотонов и электронов; эта работа — первый случай, когда были ограничены атомы. Профессор Андрей Хлобыстов сказал: «Наше достижение может предвещать новую форму материи, сочетающую характеристики твёрдых и жидких тел в одном материале».
Исследователи надеются, что манипулирование положением закреплённых атомов на поверхности может создать более протяжённые и сложные формы «загона». Это может проложить путь для более эффективного использования редких металлов в экологически чистых технологиях, таких как преобразование и хранение энергии.
Предоставлено Ноттингемским университетом.