Открытие: атомы в ловушке создают новое гибридное состояние металлов — жидкость, которая не хочет замерзать

Учёные из Университета Ноттингема совместно с коллегами из немецкого Ульма сделали весьма необычное открытие, которое способно изменить наше представление о поведении вещества при переходе из жидкого состояния в твёрдое. В ходе экспериментов с наночастицами металлов специалисты обнаружили: не все атомы в жидкости погружены во вращающееся движение. Некоторые из них, словно прикованные к месту, остаются неподвижными вне зависимости от температуры. Такой феномен особо ярко проявляется во время затвердевания расплавленного металла и способствовал фиксации до сих пор малоизвестной фазы — состояния замкнутой переохлаждённой жидкости.

Твердым частицам отведена ключевая роль в природе и промышленности: от образования минералов, льда или белковых фибрилл до фармацевтики и металлургии, которая является сердцем авиационной, строительной и электронной отраслей. Именно процессы кристаллизации во многом определяют эксплуатационные характеристики и долговечность материалов, будь то композит корпоративного самолёта или катализатор на автомобильном заводе.

Для визуализации механизма затвердевания команда исследователей прибегла к современным методам — просвечивающей электронной микроскопии. С применением уникального низковольтного прибора SALVEinstrument в лаборатории Университета Ульма учёные наблюдали плавление и затвердевание наночастиц металлов — таких как платина, золото и палладий — на атомарно тонкой подложке из графена. Графен стал своеобразной «варочной панелью»: при нагревании частицы превращались в крошечные капельки, где атомы начинали вести себя хаотично, как и ожидалось от жидкости. Но неожиданно определённое количество атомов сохраняло удивительную неподвижность, оставаясь связанными с дефектами в графене даже под действием высоких температур.

Зафиксированные атомы можно было контролировать, увеличивая число дефектов графена, сфокусировав электронный пучок на определённых участках. Это позволило учёным влиять на количество таких своеобразных «якорей», препятствующих свободному движению атомов.

Профессор Уте Кайзер из Университета Ульма, стоявшая у истоков исследовательского центра SALVE, подчеркнула: в этом эксперименте удалось наблюдать корпускулярно-волновой дуализм электронов во всей красе — электроны, действуя как волны, обеспечивали визуализацию, а как частицы передавали импульсы, способные как смещать атомы, так и фиксировать их на поверхности. Это открытие стало первым свидетельством существования новой гибридной фазы вещества.

Влияние неподвижных атомов на процесс кристаллизации оказалось колоссальным. В случае, если «якорей» мало, кристалл растёт из жидкости обычным образом до полного затвердевания. Однако, при большом количестве закрепленных атомов кристаллизация замедляется или вовсе останавливается: кристаллы не образуются, и частица сохраняет жидкую или аморфную структуру даже при температурах существенно ниже точки обычного замерзания — например, переохлаждённая платина в таком «атомном загоне» не кристаллизуется даже при 350°C, что на тысячу градусов ниже привычного порога.

Интересно, что в определённых условиях новая фаза проявляет признаки неустойчивости: металл вдруг может перейти из аморфного состояния в кристаллическое, если разрушается «кольцо» из зафиксированных атомов. Этот своеобразный замок удерживает металл в нехарактерном для него жидком виде, но как только барьер ослабляется, вещество возвращается к нормальной структуре.

Доктор Джесум Алвес Фернандес, специалист по катализу, отметил практическое значение открытия: новые катализаторы на основе платиновых наночастиц с подобным фазовым поведением могут задать иной стандарт в эффективности и долговечности, а управление фиксированными атомами на поверхности поможет создавать сложные наноструктуры и повысить отдачу дорогостоящих металлов в разнообразных отраслях, включая экологически чистые технологии хранения и преобразования энергии.

На сегодняшний день аналогичные замкнутые состояния — так называемые нанозагонные системы — были зарегистрированы лишь для фотонов и электронов. Описанный же эксперимент — первый случай принудительного «заточения» самих атомов в жидкой фазе металла.

Профессор Андрей Хлобыстов, руководитель проекта, уверен: это открытие не только расширяет фундаментальные знания о материи, но и открывает дорогу к разработке новых материалов, которые способны совмещать свойства жидкостей и твёрдых тел в рамках одного вещества. Ярослав Игнатьев