Mikroskop, który widzi pojedyncze atomy
Aby dostrzec ten fenomen, potrzebny był sprzęt o niezwykłej rozdzielczości. Zespoły z Uniwersytetu w Nottingham oraz Uniwersytetu w Ulm wykorzystały transmisyjny mikroskop elektronowy, który pozwala śledzić pojedyncze atomy. Jako obiekt badań posłużyły maleńkie cząstki platyny, złota i palladu, osadzone na grafenie. Ten ostatni to pojedyncza warstwa atomów węgla, niezwykle cienka i wytrzymała.
Czytaj też: Kawałek metalu był w dwóch miejscach naraz. Naukowcy właśnie złamali granicę rzeczywistości
Zaczęliśmy od topienia nanocząsteczek metali osadzonych na atomowo cienkim podłożu – grafenie. Użyliśmy grafenu jako swoistego palnika do tego procesu, aby podgrzać cząsteczki, a gdy się stopiły, ich atomy zaczęły szybko się poruszać, zgodnie z oczekiwaniami. Jednak ku naszemu zaskoczeniu odkryliśmy, że niektóre atomy pozostały nieruchome – relacjonuje Christopher Leist
Grafen pełnił tu kluczową rolę, gdyż dostarczał energii cieplnej, ale zarazem stanowił podłoże z defektami, czyli niedoskonałościami w swojej strukturze. To właśnie do tych defektów przyczepiały się nieruchome atomy. Co ciekawe, sam proces obserwacji za pomocą wiązki elektronów pozwalał na tworzenie nowych defektów, a tym samym na sterowanie liczbą „zamrożonych” atomów. Można to porównać do przełącznika, który włącza lub wyłącza ruchliwość poszczególnych cząstek.
Atomowa zagroda, która łamie prawa fizyki
Prawdziwie zaskakujący efekt pojawił się, gdy nieruchome atomy uformowały swoisty pierścień wokół kropli ciekłego metalu. Ta „atomowa zagroda” uniemożliwiła normalny proces krzepnięcia. Dzięki niej platyna pozostawała w stanie ciekłym w temperaturze zaledwie 350°C, czyli ponad tysiąc stopni poniżej jej typowej temperatury topnienia. Klasyczna fizyka sugeruje, iż w takich warunkach metal powinien skrystalizować. Tutaj nieruchome atomy blokowały tworzenie się regularnej sieci krystalicznej. Gdy temperatura spadała jeszcze bardziej, zamiast zwykłego, krystalicznego metalu powstawała amorficzna, bezpostaciowa masa, przypominająca szybko schłodzoną ciecz. Jej istnienie było możliwe wyłącznie dzięki stabilizującemu działaniu atomowej zagrody. To pierwszy przypadek, kiedy udało się w ten sposób uwięzić atomy. Wcześniej podobne techniki stosowano jedynie dla cząstek światła (fotonów) lub elektronów.
Czytaj też: To miało być proste zjawisko fizyczne. Okazało się, że nikt nie rozumiał, jak naprawdę działa
Odkrycie może mieć praktyczne konsekwencje, zwłaszcza w dziedzinie katalizy. Platyna wspierana na węglu to jeden z najczęściej stosowanych katalizatorów w przemyśle chemicznym i w ogniwach paliwowych. Zrozumienie, iż może ona istnieć w tym hybrydowym stanie, otwiera drogę do projektowania materiałów o zupełnie nowych właściwościach. Teoretycznie, odpowiednio zaprojektowany katalizator mógłby być bardziej odporny na dezaktywację. Napięcia w amorficznej strukturze mogłyby okresowo „resetować” jego powierzchnię, usuwając nagromadzone zanieczyszczenia w procesie, który niektórzy określają mianem samoczyszczenia. Naukowcy skupiają się teraz na precyzyjnym kontrolowaniu rozmieszczenia nieruchomych atomów, aby tworzyć większe i bardziej złożone struktury. Głównym celem jest opracowanie efektywniejszych katalizatorów, co może przełożyć się na lepsze metody magazynowania energii czy wydajniejsze procesy chemiczne.