Nieruchome atomy w cieczy — zaskakujące odkrycie
Tradycyjnie uczymy się, że atomy w cieczach są w ciągłym ruchu, przepływając obok siebie niczym tłum ludzi na ulicy. Tymczasem badacze zaobserwowali coś zupełnie przeciwnego: część atomów w stopionych nanokropelkach metalu pozostaje całkowicie nieruchoma, niezależnie od temperatury.
To niezwykłe zachowanie udało się uchwycić dzięki transmisyjnej mikroskopii elektronowej o bardzo wysokiej rozdzielczości. Naukowcy topili nanocząstki platyny, złota i palladu, umieszczone na atomowo cienkim grafenie. Ku ich zdumieniu część atomów trwale „przyklejała się” do defektów w podłożu, nie reagując nawet na bardzo wysokie temperatury.
Uwięziona ciecz — nowy stan materii
Jeszcze ciekawiej robi się wtedy, gdy nieruchome atomy tworzą wokół cieczy pierścień przypominający ogrodzenie. Taka „zagroda atomowa” może uwięzić stopiony metal i sprawić, że pozostaje on w stanie ciekłym znacznie poniżej swojej typowej temperatury krzepnięcia. W przypadku platyny naukowcy zaobserwowali, że stopiona pozostawała nawet przy 350°C, czyli ponad 1000°C poniżej normalnego punktu zamarzenia!
Dopiero po przekroczeniu określonego progu temperatury, uwięziona ciecz krzepła — lecz nie w formie krystalicznej. Powstawała amorficzna, niestabilna struktura, utrzymywana tylko przez „ogrodzenie” nieruchomych atomów. Po jego zniszczeniu metal natychmiast przechodził w typową formę krystaliczną. Badacze określają ten stan jako nowy hybrydowy typ materii — połączenie cech cieczy i ciała stałego.
Dlaczego to odkrycie jest ważne?
Platyna osadzona na węglu należy do najczęściej stosowanych katalizatorów na świecie — wykorzystywanych m.in. w przemyśle chemicznym, energetyce oraz technologii wodorowej. Odkrycie nietypowego, „uwięzionego” stanu ciekłego metalu może znacząco zmienić zrozumienie, jak naprawdę działają katalizatory.
Naukowcy sugerują, że kontrolowanie liczby i rozmieszczenia nieruchomych atomów może w przyszłości pozwolić na projektowanie:
- katalizatorów samoczyszczących,
- materiałów trwalszych i bardziej aktywnych,
- nowych sposobów efektywnego wykorzystania rzadkich metali,
- zaawansowanych technologii magazynowania i konwersji energii.
To pierwsze w historii badanie, w którym udało się „uwięzić” nie tylko elektrony czy fotony — ale właśnie atomy. Otwiera to drogę do tworzenia zupełnie nowych materiałów, których właściwości mogą być regulowane w niespotykany dotąd sposób.
Zespół planuje projektować bardziej złożone struktury atomowych „korali”, które pozwolą na precyzyjną kontrolę stanu materii w nanoskali. Jeśli te prace zakończą się sukcesem, mogą zapoczątkować nową epokę w fizyce materiałowej i katalizie.
Źródło: University of Nottingham
