Eksperyment z nanocząstkami ujawnia tajemnicę
Badacze skupili się na obserwacji mikroskopijnych cząstek platyny, złota i palladu osadzonych na niezwykle cienkiej warstwie grafenu. Pełnił on rolę miniaturowej „kuchenki” grzejącej metal do ekstremalnych temperatur. Gdy metale zaczynały się topić, większość ich atomów, zgodnie z przewidywaniami, wpadała w szybki, chaotyczny ruch. Ku zaskoczeniu zespołu, część atomów pozostała całkowicie statyczna, mimo panującego gorąca. Okazało się, że te nieruchome atomy zostały uwięzione w miejscu przez drobne defekty, czyli niedoskonałości w strukturze grafenu.
Czytaj też: Skok o tyczce przez kwantowy kanion brzmi jak science fiction. Fizycy właśnie tego dokonali w laboratorium
Zaczęliśmy od topienia nanocząstek metali, takich jak platyna, złota i pallad, osadzonych na atomowo cienkim podłożu – grafenie. Użyliśmy grafenu jako swoistego palnika do podgrzewania cząstek, a gdy się topiły, ich atomy zaczęły szybko się poruszać, zgodnie z oczekiwaniami. Jednak ku naszemu zaskoczeniu, odkryliśmy, że niektóre atomy pozostały nieruchome – tłumaczy Christopher Leist z University of Nottingham
Wiązka elektronów jako narzędzie kontroli
Prawdziwy przełom nastąpił, gdy naukowcy zrozumieli, że mogą w pewnym stopniu sterować tym procesem. Skierowali na grafen wiązkę elektronów, celowo zwiększając liczbę defektów, czyli potencjalnych pułapek. W ten sposób uzyskali kontrolę nad ilością unieruchomionych atomów w płynnym metalu. Kiedy nieruchomych atomów było mało, metal po ochłodzeniu krystalizował w standardowy sposób. Sytuacja zmieniała się radykalnie, gdy liczba „uwięzionych” atomów rosła, a szczególnie gdy układały się one w pierścień otaczający ciekłą kroplę. Taka atomowa zagroda powstrzymywała proces krzepnięcia, pozwalając utrzymać metal w stanie ciekłym w temperaturach znacznie niższych od normalnych.
Efekt jest szczególnie uderzający, gdy nieruchome atomy tworzą pierścień otaczający ciecz. Gdy ciecz zostanie uwięziona w tej atomowej zagrodzie, może pozostać w stanie ciekłym nawet w temperaturach znacznie poniżej punktu zamarzania, co dla platyny może wynosić zaledwie 350 stopni Celsjusza – czyli ponad 1000 stopni poniżej tego, co jest typowo oczekiwane – podkreśla Andrei Khlobystov z University of Nottingham
Aby zobrazować skalę tego zjawiska, warto spojrzeć na liczby. Czysta platyna krzepnie w temperaturze około 1768 stopni Celsjusza. W eksperymencie udało się utrzymać ją w formie płynnej już przy 350 stopniach. To tak, jakby woda pozostała niezamarznięta w temperaturze minus 80 stopni. Co ciekawe, gdy taka uwięziona ciecz w końcu zastyga, nie tworzy uporządkowanej struktury krystalicznej. Powstaje amorficzna, szklista i bardzo niestabilna forma. Utrzymuje się ona tylko dzięki obecności nieruchomych atomów-zapór. Dopiero gdy ta bariera zostanie przerwana, metal może przeorganizować się w swoją stabilną, krystaliczną postać.
Dualizm korpuskularno-falowy w praktyce
Obserwacje prowadzono w czasie rzeczywistym za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego, a sam proces dostarczył też potwierdzenia fundamentalnej zasady mechaniki kwantowej. Wiązka elektronów używana do obrazowania zachowywała się jednocześnie jak fala i jak strumień cząstek. Jako fale, elektrony pozwalały naukowcom widzieć materiał. Jako cząstki, uderzały w atomy, dostarczając im impulsów, które mogły je przesunąć lub – paradoksalnie – pomóc w unieruchomieniu.
Czytaj też: Ołów łamie prawa fizyki. Nowe badania ujawniają zagadkę jąder atomowych
Odkrycie, choć na razie znajduje się w sferze badań podstawowych, może mieć daleko idące konsekwencje. Jednym z najważniejszych obszarów zastosowań jest kataliza, gdzie platyna jest kluczowym, choć niezwykle drogim składnikiem.
Zrozumienie, iż można stworzyć lokalne, ciekłe obszary o nietypowych właściwościach na powierzchni katalizatora, otwiera drogę do projektowania bardziej aktywnych i trwałych materiałów. Możliwość precyzyjnego układania atomowych „zagród” mogłaby teoretycznie prowadzić do tworzenia katalizatorów o samoczyszczących się powierzchniach lub optymalnych kształtach dla konkretnych reakcji chemicznych. Przed zespołem stoi teraz wyzwanie sprawdzenia, czy podobne stany można tworzyć w innych materiałach i czy uda się je wykorzystać w praktyce, na przykład w procesach związanych z magazynowaniem energii.