Понимание того, как материалы переходят из жидкого состояния в твердое, имеет огромное значение для множества процессов — от образования льда и минералов до производства лекарств, электроники и авиационных материалов. Однако поведение атомов в жидкостях изучать сложнее, чем в газах или твердых телах. Атомы в жидкости движутся хаотично, словно люди в толпе на оживленной улице, — проносятся мимо друг друга на высокой скорости, одновременно взаимодействуя между собой.
Чтобы заглянуть внутрь этого процесса, специалисты Ноттингемского университета и Университета Ульма использовали уникальный низковольтный электронный микроскоп SALVE, с помощью которого они наблюдали за нанокаплями расплавленных металлов — платины, золота и палладия — на подложке из графена толщиной в один атом. Графен служил своеобразной «плитой» для нагрева частиц.
Когда металл расплавился, его атомы, как и ожидалось, начали быстро, хаотично двигаться. Однако к удивлению ученых, часть атомов оставалась неподвижной, стационарной. Анализ показал, что эти атомы прочно прикреплены к подложке в местах, называемых точечными дефектами, и эта связь сохраняется даже при экстремальных температурах.
Ученые обнаружили, что неподвижные атомы играют ключевую роль в процессе кристаллизации. Когда закреплено лишь несколько атомов, кристалл может вырасти из жидкости и распространиться на всю наночастицу. Но когда неподвижных атомов много, они блокируют образование кристаллической структуры.
«Эффект особенно поразителен, когда неподвижные атомы образуют кольцо вокруг жидкости», — объяснил профессор Ноттингемского университета Андрей Хлобыстов. «Попав в такой атомный загон, металл может оставаться жидким при температурах значительно ниже точки замерзания — для платины это может быть на тысячу градусов ниже обычного».
При достаточном охлаждении «жидкость в загоне» все же затвердевает, но превращается при этом не в кристалл, а в аморфный металл — то есть, не имеющей упорядоченной структуры. Это состояние крайне нестабильно и существует лишь до тех пор, пока атомный загон сохраняется.
«Таким образом, мы наблюдаем появление новой формы материи, сочетающей характеристики твердых тел и жидкостей», — подчеркнул профессор Хлобыстов. Это открытие может изменить понимание работы катализаторов и привести к созданию более эффективных технологий в энергетике, особенно в сфере хранения энергии.
Ранее российские ученые разработали новые методы создания многослойных анодов для аккумуляторов будущего.