Учёные открыли "гибридную" фазу материи, размывающую границу между твёрдым телом и жидкостью

Школьный курс физики учит, что существует четыре состояния вещества – твёрдое, жидкое, газообразное и плазма. Однако в передовой физике всё значительно сложнее, и из этой сложности учёные вывели новое странное состояние материи – гибрид твёрдого тела и жидкости.

Знакомьтесь – собранная переохлаждённая жидкость (corralled supercooled liquid). Подобно твёрдому телу, она содержит атомы, остающиеся неподвижными при определённых условиях. Подобно жидкости, большинство её атомов находятся в постоянном движении. Примечательно, что оба этих свойства могут присутствовать одновременно. По словам исследователей, описавших гибрид в недавней статье в журнале ACS Nano, это может позволить инженерам использовать уникальные свойства материала в любых технологиях, связанных с металлами – от авиации и строительства до электроники.

Андрей Хлобыстов, исследователь наноматериалов из Ноттингемского университета в Великобритании, сообщил:

Наше достижение может предвещать новую форму материи, сочетающую характеристики твёрдых тел и жидкостей в одном материале.

По сравнению с твёрдыми телами и газами жидкости сложнее поддаются изучению, ведь атомы внутри них постоянно перемещаются. Особенно это касается момента превращения жидкости в твёрдое тело – то, как и куда движутся атомы, в конечном счёте определяет форму твёрдого вещества, но отследить пути этих атомов крайне сложно. При этом именно эти процессы отвечают за такие явления, как минерализация, образование льда и сворачивание белков.

Для эксперимента команда использовала специализированный электронный микроскоп SALVE. Установка включала атомарно тонкий лист углерода – графен – под расплавленными платиной, золотом и палладием. Идея заключалась в изучении изменений атомной структуры металлов при плавлении.

Кристофер Ляйст, ведущий автор исследования и материаловед из Ульмского университета в Германии, объяснил:

Мы использовали графен как своего рода плиту для нагрева частиц, и когда они плавились, их атомы начинали быстро двигаться, как и ожидалось. Однако, к нашему удивлению, мы обнаружили, что некоторые атомы оставались неподвижными.

Движение отчасти напоминало поведение электронов в квантовом мире, существующих одновременно как волны и частицы. Атомы в образце вели себя частично как неподвижные атомы твёрдого тела, но одновременно и как непрерывно активный, текущий поток атомов жидкости – "новая фаза материи".

Более того, неподвижные атомы оказывали заметное влияние на формирование конечного твёрдого тела. Большее количество стационарных атомов в начальной структуре нарушает процесс затвердевания, в результате чего образуется твёрдая форма без кристаллов – аморфное твёрдое тело. Однако когда стационарные атомы нарушаются, это высвобождает достаточно напряжения для трансформации металла в нормальную кристаллическую форму.

Подобные попытки "загнать" крошечные частицы в определённую форму ранее удавались только с фотонами и электронами – по сути, самыми маленькими объектами на наноуровне. Новый эксперимент стал первым случаем, когда исследователям удалось "загнать" атомы, которые обычно значительно крупнее.

Ученые создали рекордные сверхпроводники с помощью 3D-печати

Китайские ученые воссоздали сверхтвердые алмазы из космоса

Если учёные смогут свободно контролировать эти стационарные атомы, это откроет путь к более эффективному использованию редких металлов в чистых технологиях, таких как преобразование и хранение энергии.