ACS Nano: открыто новое состояние переохлажденной жидкости

Международная группа исследователей выяснила, что часть атомов в жидком металле может оставаться неподвижной даже при экстремально высоких температурах. Это неожиданное поведение оказалось ключом к формированию необычного состояния вещества — так называемой "загнанной в ловушку" переохлажденной жидкости.

Работа опубликована в журнале ACS Nano.

Обычная картина жидкостей предполагает, что их атомы беспорядочно движутся, постоянно сталкиваются и меняются местами. Но ученые из Университета Ноттингема и Университета Ульма доказали: часть атомов вовсе не участвует в этом хаотическом движении. Они остаются зафиксированными на дефектах поверхности, на которой расплавлен металл, и способны полностью изменить процесс его кристаллизации.

Эксперименты проводились с помощью просвечивающего электронного микроскопа SALVE — уникального инструмента, позволяющего наблюдать за поведением отдельных атомов в реальном времени. На ультратонкий слой графена наносили наночастицы платины, золота и палладия, нагревали их до плавления и отслеживали движение атомов. Большинство из них вело себя предсказуемо, но часть неожиданно оставалась неподвижной, несмотря на высокую температуру. Эти "приклеенные" атомы удерживались точечными дефектами графена и не участвовали в жидком движении.

Ученые научились управлять количеством таких неподвижных атомов, повышая концентрацию дефектов электронным пучком. Это позволило проследить, как именно фиксированные атомы влияют на затвердевание металла. Если неподвижных атомов немного, жидкость превращается в обычный кристалл.

Но если количество растет, кристаллизация срывается: металл остается жидким даже при температурах на сотни градусов ниже точки замерзания.

Исследователи называют это открытие новым гибридным состоянием вещества, сочетающим свойства жидкостей и твердых тел. Ранее подобные "заградительные ловушки" удавалось создавать только для фотонов и электронов, но впервые — для атомов.

Ученые отметили, что такие эффекты могут оказаться важными для катализа. Платина на углероде — один из самых популярных катализаторов в мире. Нестандартное поведение атомов в условиях наноразмерного удержания может объяснить неизвестные ранее особенности работы катализаторов и помочь создавать более долговечные и самоочищающиеся материалы.

Дальнейшее развитие метода позволит формировать более сложные и протяженные атомные ловушки. Это может привести к экономному использованию редких металлов и созданию новых материалов для чистой энергетики — от хранения энергии до конверсии топлива.