Здравствуйте, дорогие читатели! Мы привыкли думать, что в физике, как и в таблице умножения, все давно открыто и понятно. Вода кипит при ста градусах, железо плавится в печи, а при охлаждении - твердеет.
Однако наука тем и прекрасна, что умеет преподносить сюрпризы там, где их совсем не ждешь. Недавно международная группа ученых, в состав которой вошел наш соотечественник, сделала открытие, способное изменить наше представление о том, как ведут себя металлы. Речь идет о новой форме материи, которая может стать основой для технологий будущего.
Давайте разберемся, что именно увидели ученые в свои сверхмощные микроскопы и какую практическую пользу это принесет нам с вами.
Загадка перехода из жидкости в твердое тело
Для начала вспомним школьный курс физики. Весь мир вокруг нас состоит из атомов. В твердых телах (например, в слитке золота) атомы выстроены в строгом порядке, образуя красивую кристаллическую решетку. В жидкостях (в расплавленном металле) они ведут себя как толпа людей в час пик - носятся хаотично, толкаются и не имеют постоянного места.
Понимание того, как именно хаос превращается в порядок (процесс кристаллизации), критически важно. От этого зависит, будет ли крыло самолета прочным, лекарство - эффективным, а процессор в телефоне - быстрым.
Но изучать атомы в жидкости невероятно сложно. Они слишком быстрые. Это все равно что пытаться рассмотреть лицо конкретного человека в несущейся толпе марафонцев. Однако ученым из Ноттингемского университета и Университета Ульма это удалось.
Эксперимент на "нано-плите"
Но самое интересное - это "посуда" для эксперимента. Металлы поместили на лист графена толщиной всего в один атом. Графен сыграл роль своеобразной сковородки или "нано-плиты", на которой частицы металла нагревали до плавления.
Но самое интересное — это "посуда" для эксперимента. Металлы поместили на лист графена толщиной всего в один атом. Графен сыграл роль своеобразной сковородки или "нано-плиты", на которой частицы металла нагревали до плавления.
Что пошло не так?
Когда металл расплавился, ученые ожидали увидеть привычную картину: все атомы начнут беспорядочное движение. Но реальность превзошла ожидания.
Выяснилось, что пока основная масса атомов "плясала", некоторые из них стояли как вкопанные. Оказалось, что эти стационарные атомы намертво прицепились к дефектам (неровностям) в структуре графена. Связь была настолько прочной, что даже экстремальные температуры не могли сдвинуть их с места.
И вот здесь начинается самое интересное. Эти неподвижные "стражи" начали диктовать свои условия всей остальной жидкой массе.
Эффект "атомного загона"
Представьте себе строй солдат, который пытается пройти маршем по площади. Если площадь пуста, они легко выстроятся в "коробку" (кристалл). Но если на площади хаотично расставить бетонные столбы (те самые неподвижные атомы), строй сломается. Солдаты не смогут встать в ряды.
То же самое произошло и с металлом.
Ученые обнаружили, что если неподвижных атомов много, и они образуют кольцо, то металл внутри этого кольца перестает кристаллизоваться при остывании.
Профессор Андрей Хлобыстов (Ноттингемский университет) объясняет это явление так:
"Попав в такой атомный загон, металл может оставаться жидким при температурах значительно ниже точки замерзания. Для платины, например, эта разница может достигать тысячи градусов".
То есть, металл должен был давно превратиться в твердый слиток, но он остается жидким из-за того, что атомы-стационары не дают остальным выстроиться в правильную решетку.
Рождение аморфного металла
Что происходит, если продолжить охлаждать эту "ловушку"? Жидкость в итоге все-таки затвердевает. Но она не превращается в привычный кристалл. Она становится аморфным металлом (или металлическим стеклом).
В таком состоянии атомы застывают в беспорядке, как в жидкости, но материал становится твердым. Это крайне нестабильное состояние, которое существует только благодаря "загону" из закрепленных атомов.
Профессор Хлобыстов подчеркивает: "Мы наблюдаем появление новой формы материи, сочетающей характеристики твердых тел и жидкостей".
Зачем это нужно простым людям?
Наука ради науки - это хорошо, но нас интересует практическая польза. А она здесь огромна. Свойства материалов зависят от их структуры. Если мы научимся управлять структурой металлов на атомном уровне, создавая такие "загоны", мы получим материалы с фантастическими свойствами.
- Супер-батарейки. Новые материалы могут стать основой для накопителей энергии следующего поколения. Это значит, что телефоны будут работать неделями, а электромобили проезжать тысячи километров без подзарядки.
- Эффективные лекарства. Многие фармацевтические препараты требуют точнейших химических реакций. Новые катализаторы на основе таких металлов сделают производство лекарств дешевле и чище.
- Нефтехимия. Катализаторы используются при переработке нефти и газа. Повышение их эффективности снизит стоимость топлива и уменьшит вредные выбросы в атмосферу.
- Прочные сплавы. Аморфные металлы часто обладают уникальной прочностью и устойчивостью к коррозии, чего нет у обычных кристаллических металлов.
Итог
Открытие, сделанное при участии российского ученого, показывает, что даже в изученных вдоль и поперек металлах скрываются тайны. Возможность управлять атомами поштучно, заставляя их "замораживать" состояние жидкости - это шаг к технологиям, которые сегодня кажутся нам фантастикой.
Мир меняется, и приятно осознавать, что наука открывает двери в новую эру материалов, которые сделают нашу жизнь комфортнее и безопаснее.
Как вы думаете, какие технологии будущего нужны нам в первую очередь? Вечный аккумулятор, нержавеющий кузов для авто или дешевые лекарства? Делитесь мнением в комментариях!