Ακίνητα άτομα μπορούν να εγκλωβίσουν το υγρό μέταλλο σε μια παράξενη νέα κατάσταση που δεν θα έπρεπε να υπάρχει. Επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ένα υγρό δεν συμπεριφέρεται πάντα με τον τρόπο που φαίνεται. Ακόμη και όταν ένα υλικό είναι πλήρως λιωμένο, ορισμένα από τα άτομά του μπορούν να παραμείνουν σταθερά στη θέση τους, ανεξάρτητα από το πόσο πολύ θερμαίνεται.
Αυτά τα στάσιμα άτομα επηρεάζουν έντονα τον τρόπο με τον οποίο ένα υγρό μετατρέπεται σε στερεό και μπορούν ακόμη και να προκαλέσουν μια ασυνήθιστη κατάσταση της ύλης, γνωστή ως “περιφραγμένο υπέρψυκτο υγρό” (corralled supercooled liquid).
Γιατί η στερεοποίηση είναι σημαντική
Η διαδικασία σχηματισμού στερεών αποτελεί τη βάση πολλών φυσικών φαινομένων, συμπεριλαμβανομένης της ανοργανοποίησης, της ανάπτυξης του πάγου και της αναδίπλωσης των πρωτεϊνικών ινιδίων. Είναι επίσης κρίσιμη για ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών. Τα φαρμακευτικά προϊόντα βασίζονται στην ελεγχόμενη στερεοποίηση, όπως και οι βιομηχανίες που βασίζονται στα μέταλλα, όπως η αεροναυπηγική, οι κατασκευές και τα ηλεκτρονικά.
Παρατηρώντας το μέταλλο να παγώνει σε ατομική κλίμακα
Για να ερευνήσουν τον τρόπο με τον οποίο στερεοποιούνται τα υγρά, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ και το Πανεπιστήμιο της Ουλμ στη Γερμανία χρησιμοποίησαν ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης για να παρατηρήσουν νανοσταγονίδια λιωμένου μετάλλου καθώς ψύχονταν.
Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό ACS Nano. Ο καθηγητής Andrei Khlobystov, επικεφαλής της έρευνας, δήλωσε: “Όταν εξετάζουμε την ύλη, συνήθως σκεφτόμαστε τρεις καταστάσεις: αέρια, υγρή και στερεή. Ενώ η συμπεριφορά των ατόμων στα αέρια και τα στερεά είναι πιο εύκολο να κατανοηθεί και να περιγραφεί, τα υγρά παραμένουν πιο μυστηριώδη”.
Η χαοτική κίνηση των υγρών ατόμων
Τα άτομα μέσα σε ένα υγρό κινούνται με έναν εξαιρετικά πολύπλοκο τρόπο, όπως οι άνθρωποι που σπρώχνονται μέσα σε έναν χώρο με συνωστισμό. Προσπερνούν γρήγορα το ένα το άλλο, ενώ συνεχίζουν να αλληλεπιδρούν.
Η καταγραφή αυτής της συμπεριφοράς είναι ιδιαίτερα δύσκολη κατά τη στιγμή που ένα υγρό αρχίζει να παγώνει, παρόλο που αυτή η μετάβαση καθορίζει την τελική δομή του υλικού και πολλές από τις πρακτικές του ιδιότητες.
Λιώνοντας νανοσωματίδια πάνω σε γραφένιο
Ο Δρ. Christopher Leist, ο οποίος πραγματοποίησε τα πειράματα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης στην Ουλμ χρησιμοποιώντας το όργανο χαμηλής τάσης SALVE, δήλωσε: “Ξεκινήσαμε λιώνοντας μεταλλικά νανοσωματίδια, όπως λευκόχρυσο, χρυσό και παλλάδιο, τοποθετημένα πάνω σε ένα υπόστρωμα ατομικού πάχους — το γραφένιο. Χρησιμοποιήσαμε το γραφένιο ως ένα είδος ‘εστίας’ για αυτή τη διαδικασία ώστε να θερμάνουμε τα σωματίδια και, καθώς έλιωναν, τα άτομά τους άρχισαν να κινούνται γρήγορα, όπως αναμενόταν. Ωστόσο, προς έκπληξή μας, διαπιστώσαμε ότι ορισμένα άτομα παρέμεναν ακίνητα”.
Περαιτέρω έρευνα αποκάλυψε ότι αυτά τα ακίνητα άτομα ήταν στενά συνδεδεμένα με το υπόστρωμα σε συγκεκριμένα σημεία ατελειών. Αυτή η ισχυρή προσκόλληση διατηρούνταν ακόμη και σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.
Εστιάζοντας τη δέσμη ηλεκτρονίων, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν περισσότερες ατέλειες και να ελέγξουν άμεσα το πόσα άτομα παρέμεναν καθηλωμένα μέσα στο υγρό.
Δέσμες ηλεκτρονίων και μια νέα φάση της ύλης
Η καθηγήτρια Ute Kaiser, η οποία ίδρυσε το κέντρο SALVE στο Ulm University, δήλωσε:
“Τα πειράματά μας μάς εξέπληξαν καθώς παρατηρούμε άμεσα τον δυισμό κύματος-σωματιδίου των ηλεκτρονίων στη δέσμη ηλεκτρονίων. Οπτικοποιούμε το υλικό χρησιμοποιώντας τα ηλεκτρόνια ως κύματα. Ταυτόχρονα, τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ως σωματίδια, αποδίδοντας διακριτές εκκενώσεις ορμής που μπορούν είτε να κινήσουν είτε, παραδόξως, ακόμα και να καθηλώσουν άτομα στην άκρη ενός υγρού μετάλλου. Αυτή η αξιοσημείωτη παρατήρηση μας επέτρεψε να ανακαλύψουμε μια νέα φάση της ύλης”.
Η ομάδα έχει χρησιμοποιήσει στο παρελθόν την ίδια προσέγγιση για να καταγράψει ταινίες χημικών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν μεμονωμένα μόρια, συμπεριλαμβανομένης της πρώτης φοράς που ένας χημικός δεσμός παρατηρήθηκε να σπάει και να ανασχηματίζεται σε πραγματικό χρόνο.
Αυτή η τεχνική επιτρέπει στους επιστήμονες να παρατηρούν τη χημεία ένα άτομο τη φορά.
Πώς τα στάσιμα άτομα αλλάζουν την πήξη
Στα νέα πειράματα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα καθηλωμένα άτομα αλλάζουν δραματικά τον τρόπο με τον οποίο στερεοποιείται ένα υγρό.
Όταν μόνο λίγα άτομα είναι στάσιμα, οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται κανονικά από το υγρό μέχρι που ολόκληρο το σωματίδιο γίνεται στερεό.
Όταν όμως πολλά άτομα είναι σταθερά στη θέση τους, αυτή η εύτακτη διαδικασία διακόπτεται και ο σχηματισμός κρυστάλλων μπλοκάρεται εντελώς.
Ο καθηγητής Andrei Khlobystov από το University of Nottingham δήλωσε:
“Το αποτέλεσμα είναι ιδιαίτερα εντυπωσιακό όταν τα στάσιμα άτομα δημιουργούν έναν δακτύλιο που περικυκλώνει το υγρό. Μόλις το υγρό παγιδευτεί σε αυτήν την “ατομική περίφραξη” (atomic corral), μπορεί να παραμείνει σε υγρή κατάσταση ακόμη και σε θερμοκρασίες σημαντικά κάτω από το σημείο πήξης του, το οποίο για τον λευκόχρυσο μπορεί να είναι τόσο χαμηλό όσο 350 βαθμούς Κελσίου — δηλαδή περισσότερους από 1.000 βαθμούς κάτω από το τυπικά αναμενόμενο”.
Από το υπέρψυκτο υγρό στο ασταθές στερεό
Όταν η θερμοκρασία πέσει αρκετά, το παγιδευμένο υγρό τελικά στερεοποιείται. Αντί όμως να σχηματίσει κρύσταλλο, μετατρέπεται σε ένα άμορφο μέταλλο χωρίς κανονικό ατομικό πρότυπο.
Αυτή η μορφή είναι εξαιρετικά ασταθής και υπάρχει μόνο επειδή τα στάσιμα άτομα την κρατούν στη θέση της. Εάν αυτός ο περιορισμός διαταραχθεί, η συσσωρευμένη τάση εκτονώνεται και το μέταλλο αναδιατάσσεται γρήγορα στην κανονική του κρυσταλλική δομή.
Συνέπειες για τους καταλύτες και την επιστήμη των υλικών
Ο Δρ. Jesum Alves Fernandes, ειδικός στην κατάλυση στο University of Nottingham, δήλωσε: “Η ανακάλυψη μιας νέας υβριδικής κατάστασης μετάλλου είναι σημαντική. Δεδομένου ότι ο λευκόχρυσος πάνω σε άνθρακα είναι ένας από τους πιο ευρέως χρησιμοποιούμενους καταλύτες παγκοσμίως, η εύρεση μιας περιορισμένης υγρής κατάστασης με μη κλασική συμπεριφορά φάσεων θα μπορούσε να αλλάξει την κατανόησή μας για τον τρόπο λειτουργίας των καταλυτών. Αυτή η πρόοδος μπορεί να οδηγήσει στον σχεδιασμό αυτοκαθαριζόμενων καταλυτών με βελτιωμένη δραστικότητα και μακροζωία“.
Προς την “ατομικά περιφραγμένη” ύλη
Μέχρι τώρα, η περίφραξη (corralling) σε νανοκλίμακα είχε επιδειχθεί μόνο για φωτόνια και ηλεκτρόνια.
Αυτή η μελέτη σηματοδοτεί την πρώτη φορά που τα ίδια τα άτομα έχουν περιφραχθεί.
Ο καθηγητής Andrei Khlobystov δήλωσε: “Το επίτευγμά μας μπορεί να προαναγγέλλει μια νέα μορφή ύλης που συνδυάζει χαρακτηριστικά στερεών και υγρών στο ίδιο υλικό”.
Κοιτάζοντας μπροστά, οι ερευνητές στοχεύουν να ελέγξουν με ακρίβεια την τοποθέτηση των καθηλωμένων ατόμων για να κατασκευάσουν μεγαλύτερες και πιο σύνθετες “περιφράξεις” (corrals).
Τέτοιες εξελίξεις θα μπορούσαν να επιτρέψουν την αποτελεσματικότερη χρήση σπάνιων μετάλλων σε καθαρές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένης της μετατροπής και της αποθήκευσης ενέργειας.
