Фізики з Великої Британії та Німеччини зробили відкриття, яке змушує по-новому подивитися на те, як поводиться матерія. Під час експериментів із розплавленими металами вони виявили дивний проміжний стан — щось середнє між рідиною і твердим тілом, де частина атомів поводиться зовсім не так, як ми звикли очікувати.
Результати дослідження опубліковані в науковому журналі ACS Nano і можуть мати серйозні наслідки для сучасних технологій — від «зеленої» енергетики до ефективніших паливних елементів.
Коли рідина поводиться «неправильно»
Зазвичай атоми в рідині постійно рухаються, зіштовхуються й змінюють положення. Саме це відрізняє рідкий стан від твердого, де атоми зафіксовані в кристалічній решітці. Але під час спостережень за металевими нанокраплями вчені помітили щось неочікуване: частина атомів у рідкому металі залишалася нерухомою.
Експеримент проводили з наночастинками платини, золота та паладію. Їх нагрівали до плавлення на надтонкому шарі графену, а весь процес фіксували за допомогою надпотужного електронного мікроскопа SALVE в Ульмському університеті. Така техніка дозволяє бачити окремі атоми в реальному часі.
«Ми очікували, що всі атоми почнуть активно рухатися після плавлення, і так і було — але не з усіма», — пояснює один з авторів дослідження Крістофер Лайст. Частина атомів ніби «прилипала» до дефектів у графені й залишалася на місці.
Атомна «огорожа» і переохолоджена рідина
Ще дивніше те, що кількістю таких нерухомих атомів можна керувати. За допомогою електронного променя науковці створювали додаткові дефекти в графені, і навколо них з’являлося більше «застиглих» атомів. У деяких випадках вони утворювали своєрідне кільце — атомну «огорожу» навколо рідкого металу.
Коли температура знижувалася, ця рідина не кристалізувалася, як мала б. Навпаки — вона залишалася рідкою навіть при температурах, набагато нижчих за звичайну точку замерзання. Для платини це означає збереження рідкого стану при температурі приблизно 350°C — більш ніж на тисячу градусів нижче очікуваного.
«Це виглядає як нова форма матерії, яка поєднує властивості рідини й твердого тіла в одному матеріалі», — зазначає професор Андрій Хлобистов з Університету Ноттінгема.
Нестійкий фінал і великі перспективи
Зрештою така «ув’язнена» рідина все ж твердіє, але не утворює звичну кристалічну структуру. Натомість виникає нестабільний аморфний твердий стан. Варто лише зруйнувати атомне кільце — і матеріал швидко переходить у нормальний кристал.
Це відкриття не просто теоретична цікавинка. Розуміння того, як поводяться атоми на межі між рідиною і твердим тілом, може допомогти ефективніше використовувати рідкісні метали, покращити каталізатори для паливних елементів і підвищити ефективність систем зберігання та перетворення енергії.
Світ матерії виявився складнішим, ніж здавалося. І, схоже, між знайомими нам станами ще приховано чимало сюрпризів.