Materia, którą znamy z codziennego życia, występuje w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Jednak rzeczywistość na poziomie atomowym okazuje się znacznie bardziej złożona. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Nottingham oraz Uniwersytetu w Ulm dokonał przełomowego odkrycia: w pewnych warunkach część atomów w cieczy pozostaje nieruchoma, tworząc strukturę o właściwościach pośrednich między cieczą, a ciałem stałym. To hybrydowy stan materii, który może zrewolucjonizować farmację, elektronikę, lotnictwo czy technologie energetyczne. Badanie opublikowano w prestiżowym czasopiśmie ACS Nano.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Na czym polega odkryty hybrydowy stan materii, w którym część atomów cieczy pozostaje nieruchoma, tworząc struktury o cechach cieczy i ciała stałego.
- Jak naukowcom udało się uwięzić atomy w pierścieniowej strukturze i w jaki sposób zmienia to proces krzepnięcia metali, prowadząc do głębokiego przechłodzenia.
- Dlaczego zjawisko „corrallingu” atomów jest przełomowe oraz jakie znaczenie ma dla inżynierii materiałowej, farmacji, elektroniki i technologii energetycznych.
- Jakie nowe możliwości techniczne i technologiczne otwiera kontrola nad fazami materii na poziomie pojedynczych atomów.
Ciecze – najbardziej zagadkowy stan materii
W przeciwieństwie do uporządkowanych struktur w ciałach stałych czy wysokiej swobody ruchu w gazach, ciecze pozostają dla fizyków jednym z najmniej poznanych stanów. Atomy cieczy przemieszczają się nieustannie, chaotycznie wchodząc w interakcje – przypominają dynamiczny „tłum”, w którym ruch nigdy nie ustaje.
Moment, w którym ciecz zaczyna krzepnąć, ma kluczowe znaczenie dla końcowej struktury powstałego materiału. Od procesów krystalizacji i przechładzania zależy m.in. powstawanie lodu, mineralizacja czy fałdowanie włókien białkowych. Aby zbadać ten proces z bezprecedensową dokładnością, naukowcy wykorzystali unikatowy mikroskop SALVE – niskonapięciowy transmisyjny mikroskop elektronowy umożliwiający obserwację pojedynczych atomów.
Przełomowa obserwacja: atomy, które… nie ruszają się
Badania rozpoczęto od stopienia metalicznych nanocząstek platyny, złota i palladu osadzonych na atomowo cienkim grafenie. To właśnie grafen posłużył jako atomowy „palnik”, który pozwolił topić nanocząstki i obserwować zachowanie ich atomów w wysokich temperaturach. Dr Christopher Leist relacjonował:
Zaczęliśmy od stopienia metalicznych nanocząstek, takich jak platyna, złoto i pallad, osadzonych na atomowo cienkim nośniku – grafenie. (…) Jednak ku naszemu zaskoczeniu odkryliśmy, że niektóre atomy pozostały nieruchome.
Co istotne, nawet w ekstremalnie wysokich temperaturach część atomów pozostawała „przytwierdzona” do punktowych defektów grafenu. Następnie badacze użyli wiązki elektronów, aby zwiększyć liczbę defektów i tym samym kontrolować stężenie nieruchomych atomów w roztopionym metalu. Dało im to niezwykłą kontrolę nad hybrydowym stanem materii.
Nowa faza: ciecz uwięziona przez atomowy pierścień
Kiedy liczba stacjonarnych atomów była niewielka, ciecz krzepła w sposób typowy, tworząc struktury krystaliczne. Jednak gdy atomów nieruchomych było dużo – zwłaszcza gdy formowały pierścień – proces krzepnięcia został całkowicie zaburzony.
Powstał nowy, hybrydowy stan materii: ciecz uwięziona przez atomowy pierścień, która zachowuje stan ciekły nawet w ekstremalnie niskich temperaturach, daleko poniżej punktu zamarzania. Profesor Andriej Chłobystow wyjaśnił:
Efekt jest szczególnie uderzający, gdy nieruchome atomy tworzą pierścień otaczający ciecz. Gdy ciecz zostanie uwięziona w tym pierścieniu atomowym, może pozostać w stanie ciekłym nawet w temperaturach znacznie poniżej punktu zamarzania, które w przypadku platyny mogą sięgać zaledwie 350 stopni Celsjusza – czyli ponad 1000 stopni poniżej typowych wartości.
To zjawisko jest bezprecedensowe – do tej pory podobne efekty, tzw. corralling, obserwowano wyłącznie w przypadku fotonów i elektronów, a nigdy atomów.
Co dzieje się po przełamaniu atomowego uwięzienia?
Po pewnym czasie przechłodzona ciecz zestala się, ale nie tworzy typowego kryształu. Powstaje ciało amorficzne – niestabilna, szklista forma materii. Dopiero gdy atomowy pierścień zostaje przerwany, metal może przekształcić się w swoją naturalną, krystaliczną strukturę.
To odkrycie rzuca nowe światło na dynamikę krzepnięcia, a także na możliwość sterowania procesami fazowymi na poziomie atomowym.
Znaczenie odkrycia: od farmacji po czyste technologie
Badacze podkreślają, że kontrolowane tworzenie hybrydowych stanów materii może znaleźć zastosowanie w wielu sektorach, takich jak m.in.:
Farmacja
- kontrola krystalizacji substancji czynnych,
- lepsza stabilność leków,
- projektowanie formulacji o unikalnych właściwościach.
Elektronika
- możliwość tworzenia materiałów o niestandardowych właściwościach przewodnictwa,
- rozwój cienkowarstwowych struktur.
Lotnictwo i inżynieria materiałowa
- projektowanie metali o zwiększonej wytrzymałości,
- kontrola nad zjawiskami przechłodzenia i krzepnięcia.
Energetyka i kataliza
- tworzenie samoczyszczących katalizatorów o dłuższej żywotności,
- bardziej efektywne wykorzystanie metali rzadkich w systemach magazynowania energii.
Odkrycie otwiera drogę do projektowania nowych materiałów opartych na atomowej manipulacji fazami, co jeszcze kilka lat temu uznawano za futurystyczną koncepcję.
Główne wnioski
- Naukowcy odkryli nowy, hybrydowy stan materii, w którym część atomów cieczy pozostaje nieruchoma, tworząc strukturę pośrednią między cieczą a ciałem stałym — zjawisko wcześniej obserwowane wyłącznie dla fotonów i elektronów.
- Użycie mikroskopu SALVE pozwoliło zaobserwować nieruchome atomy przytwierdzone do defektów grafenu, a następnie kontrolować ich liczbę, co umożliwiło sterowanie procesem przechłodzenia i krzepnięcia metali takich jak platyna, złoto i pallad.
- Powstanie pierścieniowej struktury nieruchomych atomów powoduje uwięzienie cieczy, która może pozostawać ciekła nawet przy ekstremalnie niskich temperaturach — np. platyna pozostawała ciekła przy ok. 350°C, ponad 1000°C poniżej typowego punktu zamarzania.
- Odkrycie otwiera drogę do nowych technologii, w tym bardziej wydajnych katalizatorów, nowych materiałów dla farmacji i elektroniki, a także efektywniejszego wykorzystania metali rzadkich w systemach energetycznych.
Źródło:
- ACS Nano
- Interesting Engineering
