Исследователи из Ноттингемского университета и Ульмского университета в Германии сделали открытие, которое меняет наше понимание жидкостей и затвердевания. В статье, опубликованной сегодня в журнале ACS Nano, они сообщили, что не все атомы в расплавленных металлах движутся непрерывно. Некоторые атомы остаются неподвижными даже при высоких температурах, что влияет на процесс затвердевания и может создавать необычное состояние — замкнутую переохлажденную жидкость.
Как атомы ведут себя в жидкости
Обычно мы представляем жидкость как плотную толпу атомов, которые постоянно сталкиваются друг с другом. Но ученые обнаружили, что при взаимодействии с дефектами подложки часть атомов «прилипает» к поверхности и фактически фиксируется. Профессор Андрей Хлобистов из Ноттингемского университета отметил:
«Когда мы рассматриваем материю, мы обычно думаем о трех состояниях: газ, жидкость и твердое тело. Жидкости остаются более загадочными, потому что атомы движутся сложно и непредсказуемо».
Чтобы наблюдать за процессом, ученые использовали просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения, включая уникальный низковольтный прибор SALVE в Ульме. Это позволило визуализировать поведение атомов в металлических нанокаплях, таких как платина, золото и палладий, осажденных на атомарно тонкой подложке из графена.
Неожиданные неподвижные атомы
Доктор Кристофер Лейст, участвовавший в исследованиях, рассказал:
«Мы наблюдали, как атомы быстро двигаются при плавлении, как и ожидалось. Но некоторые атомы оставались на месте».
Эти неподвижные частицы были прочно связаны с точечными дефектами подложки. Ученым удалось управлять их количеством, фокусируя электронный пучок, что открывает возможность контролировать процесс затвердевания.
Профессор Уте Кайзер отметила, что наблюдения показали дуализм электронов:
«Электроны ведут себя как волны и как частицы. Они могут перемещать атомы или закреплять их на краю жидкости».
Влияние на затвердевание
Ученые выяснили, что небольшое количество неподвижных атомов позволяет жидкости кристаллизоваться обычным образом. Однако когда их больше, процесс нарушается, и жидкость может оставаться замкнутой и переохлажденной при температуре ниже обычной точки замерзания. Для платины это может быть до 350 градусов Цельсия — на тысячу градусов ниже привычной температуры кристаллизации.
Профессор Хлобистов пояснил:
«Когда неподвижные атомы формируют кольцо вокруг жидкости, она удерживается в жидком состоянии. Если это удержание снимается, металл превращается в привычную кристаллическую структуру».
Практическое значение открытия
Открытие важно не только для фундаментальной науки, но и для технологий. Платина на углеродной подложке широко используется как катализатор, а понимание ограниченного жидкого состояния может помочь создавать более активные и долговечные катализаторы. Доктор Джесум Алвес Фернандес из Ноттингемского университета добавил:
«Это открытие позволяет пересмотреть принципы работы катализаторов и потенциал использования редких металлов в чистых технологиях».
Новый взгляд на материю
По словам Хлобистова, исследование впервые позволило фиксировать отдельные атомы в жидкости, что ранее удавалось лишь с электронами или фотонами. Открытие нового гибридного состояния металла, совмещающего свойства жидких и твердых веществ, может стать ключом к созданию материалов с уникальными свойствами и более эффективных энергетических систем.
Исследователи надеются, что дальнейшее управление положением закрепленных атомов позволит создавать сложные структуры и оптимизировать использование редких металлов в технологиях будущего.
ИИ впервые помог физикам увидеть плавление атомов в реальном времени
Создан материал, который становится короче, если его растянуть
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram