Otkriveno je da pojedini atomi u rastopljenim metalnim nanočesticama mogu ostati stacionarni i vezani za defekte podloge (grafen), stvarajući "atomski koral" koji menja putanju očvršćavanja. Kontrolom broja tih atoma elektronskim snopom moguće je sprečiti stvaranje uredne kristalne rešetke i zadržati tečnost ili hibridno stanje pri znatno nižim temperaturama. Eksperimentalno je za platinu primećeno zadržavanje tečnog stanja i pri ~350 °C u takvim uslovima; konačno očvršćavanje daje amorfno, nestabilno čvrsto stanje koje prelazi u normalan kristal kada se koral poremeti. Otkriće ima potencijalne primene u katalizi i tehnologijama čiste energije.
Novi "Hibrid" Materije: Kako Atomi U Tečnim Metalima Sprečavaju Kristalizaciju
There’s a Form of Matter Between Liquid and SolidFlavio Coelho - Getty Images
Naučnici su otkrili neočekivano ponašanje atoma u rastopljenim metalnim nanočesticama koje može promeniti način na koji materijali prelaze iz tečnog u čvrsto stanje. Eksperimenti pokazuju da pojedinačni atomi mogu ostati stacionarni i vezani za defekte podloge, formirajući "atomski koral" koji može zadržati okolnu materiju u tečnom ili hibridnom stanju i znatno ispod uobičajene temperature očvršćavanja.
Kako su izvedeni eksperimenti
Istraživači sa Univerziteta u Nottinghamu i Univerziteta u Ulmu pratili su očvršćavanje rastopljenih nano-kapi metala (platina, zlato, paladijum) pomoću transmisione elektronske mikroskopije visoke rezolucije (SALVE). Čestice su bile postavljene na atomski tanku podršku — grafen. Dok se većina atoma u tečnosti brzo kretala, tim je zabeležio pojedinačne atome koji su ostajali nepomični i vezani za tačkaste defekte na podlozi.
"Grafen smo koristili kao vrstu rešetke za grejanje čestica... na naše iznenađenje, utvrdili smo da su neki atomi ostali stacionarni." — Christopher Leist, Univerzitet u Ulmu.
Atomi, defekti i 'atomski koral'
Stacionarni atomi su se vezivali oko tačkastih defekata u grafenu. Povećanjem broja defekata pomoću elektronskog snopa, naučnici su mogli da kontrolišu broj ovih "sidrenih" atoma. Kada su formirali prsten ("korral") od stacionarnih atoma oko rastopljene oblasti, ta zarobljena tečnost je mogla da ostane u tečnom ili hibridnom stanju i pri znatno nižim temperaturama nego što bi se očekivalo za tipičnu kristalizaciju.
"Kada je tečnost zarobljena u ovom atomskom koralu, može ostati u tečnom stanju čak i na temperaturama značajno nižim od tačke smrzavanja — za platinu to je u eksperimentu iznosilo i oko 350 °C, što je više od 1.000 °C niže od tipičnog makroskopskog očekivanja." — Andrei Khlobystov, Univerzitet u Nottinghamu.
Šta se dešava na kraju?
Vremenom, zarobljena tečnost ipak prelazi u čvrsto stanje, ali ne u urednu kristalnu rešetku: nastaje amorfni, visoko nestabilan čvrsti materijal. Kada se "atomski koral" poremeti, taj amorfni materijal brzo reorganizuje u normalan kristal. Ovakvo upravljanje procesom očvršćavanja moglo bi imati značajne implikacije za tehnologije koje koriste retke i plemenite metale.
Moguće primene
Autori ističu potencijalne koristi za optimizaciju retkih zemnih i plemenitih metala u tehnologijama za konverziju i skladištenje čiste energije, kao i za poboljšanje katalizatora (npr. platina-na-ugljeniku) koji se koriste u gorivnim ćelijama. Kontrola lokalne strukture atoma tokom hlađenja otvara put novim materijalima sa kombinovanim svojstvima tečnosti i čvrstog stanja.
Ovo istraživanje dodatno naglašava koliko tečnosti, čak i u poznatim materijalima, mogu doneti iznenađenja kada ih posmatramo na atomskoj skali.
Pomozite nam da budemo bolji.
