Дослідники зробили вражаюче відкриття: не всі атоми в рідині хаотично рухаються. Деякі, як з’ясувалося, залишаються нерухомими й здатні стримувати цілі рідини в дивному, надохолодженому стані. За словами вчених з Університету Ноттінгема та Університету Ульма в Німеччині, очікується, що цей незвичайний стан матерії відіграватиме роль у таких галузях, як фармацевтика, авіація, будівництво та електроніка.
Таємниця руху
Традиційно вважається, що матерія існує у трьох станах: газоподібному, рідкому та твердому. Хоча впорядкована структура твердих тіл і хаос газів описані досить добре, рідини завжди залишалися найбільш загадковими. Атоми в рідині постійно зміщуються і швидко взаємодіють, нагадуючи метушливий натовп.
Особливо важливим є момент, коли рідина починає тверднути, адже саме він визначає кінцеву структуру та функціональні властивості отриманого твердого матеріалу. Формування твердих тіл має ключове значення у процесах — від мінералізації й утворення льоду до згортання білкових фібрил. Щоб зазирнути в цей критичний процес, доктор Крістофер Лейст використав унікальний низьковольтний трансмісійний електронний мікроскоп SALVE в Ульмі.
«Ми почали з того, що розплавили металеві наночастинки — платини, золота та паладію — нанесені на атомно тонку підкладку, графен. Ми використовували графен як своєрідну “плиту”, щоб нагріти частинки, і коли вони розплавлялися, їхні атоми, як і очікувалося, починали швидко рухатися. Проте, на наше здивування, ми виявили, що деякі атоми залишалися нерухомими», — розповів Лейст.
Навіть при дуже високих температурах ці статичні атоми залишалися міцно прив’язаними до точкових дефектів у графені. Дослідники використовували електронний пучок, щоб збільшити кількість таких дефектів, досягаючи безпрецедентного контролю над концентрацією нерухомих атомів у рідкому металі.
Атомне «загородження» та нова фаза
Цей надзвичайний контроль дозволив команді дізнатися, як «прикріплені» атоми впливають на процес тверднення. Зазвичай кристал утворюється лише тоді, коли кількість нерухомих атомів невелика. Але якщо їх багато, особливо якщо вони утворюють структуру у вигляді кільця, тверднення різко порушується. Рідина виявляється замкненою — або «загнаної в загороду» — і може залишатися рідкою глибоко в зоні надохолодження.
«Ефект особливо вражає, коли нерухомі атоми створюють кільце навколо рідини. Щойно рідина потрапляє в таку атомну загороду, вона може залишатися рідкою навіть при температурах значно нижчих за її точку замерзання — для платини це може бути до 350°C, тобто більш ніж на 1000 °C нижче від очікуваного», — пояснив професор Андрій Хлобистов з Університету Ноттінгема.
Коли така «замкнена» рідина нарешті твердне, вона перетворюється на аморфну речовину — нестабільну, склоподібну форму. І лише коли атомне обмеження зникає, метал переходить у нормальну стабільну кристалічну структуру. Відкриття цього гібридного металевого стану є значним проривом. Раніше концепцію «загородження» — обмеження частинок у просторі — демонстрували лише для фотонів та електронів; уперше її вдалося застосувати до атомів.
Це може привести до створення самовідновлюваних каталізаторів із підвищеною активністю та довговічністю. Зрештою, ця робота може відкрити шлях до ефективнішого використання рідкісних металів у чистих технологіях, як-от енергетичне перетворення та зберігання.
Дослідження було опубліковане в журналі ACS Nano.