Атомный коралл: как физики построили тюрьму для жидкости и открыли новую форму материи

Представьте, что вы заморозили бегущую толпу, но так, чтобы каждый второй человек на бегу превратился в статую, а остальные продолжали метаться между ними, навсегда запертые в каменном лабиринте. Примерно это удалось сделать учёным с атомами металла. Они создали состояние, которого нет в природе: «закорралированную сверхохлаждённую жидкость», — материал, который бросает вызов нашему пониманию твёрдого и жидкого.

фото: Roman Naumov/URA.RU/Global Look Press

тестовый баннер под заглавное изображение

Не толпа, а муравейник: почему классической физике тесно

Все привычные состояния материи — твёрдое, жидкое, газообразное — определяются одним: насколько свободно танцуют её атомы. В твёрдом теле они стоят смирно, как солдаты в строю. В жидкости — активно двигаются, сохраняя близость, как люди на оживлённой вечеринке. Переход между этими состояниями (фазовый переход) — краеугольный камень промышленности, от металлургии до фармацевтики. Но есть проблема: в момент плавления или затвердевания атомы движутся слишком быстро и хаотично, чтобы разглядеть, что именно происходит в эпицентре этого молекулярного шторма.

Команда исследователей из Ноттингемского (Великобритания) и Ульмского (Германия) университетов решила не просто наблюдать этот хаос, а взять его под контроль. Их оружием стал просвечивающий электронный микроскоп, способный видеть отдельные атомы, а «полигоном» — наночастицы драгоценных металлов, лежащие на графене (слое углерода толщиной в один атом).

Как построить тюрьму из одного атома

<span class="wp-tooltip" title="Исследовательская стратегия Характеризуется тем что в нем осуществляется целенаправленное наблюдение за каким-либо процессом в условиях регламентированного изменения отдельных характеристик условий его протекания При этом п начался стандартно: учёные нагрели наночастицы платины, золота и палладия на графеновой «сковороде». Атомы пришли в движение, металл расплавился. Но затем случилось неожиданное. Среди этого оживлённого движения некоторые атомы вели себя как диссиденты — они замирали на месте.

Оказалось, причина была в неидеальности «сковороды». Графен, хоть и чудо-материал, имеет микроскопические дефекты — выбоины в своей идеальной решётке. За них, как за якоря, и цеплялись атомы металла. Осознав это, физики перешли от наблюдений к творчеству. Они начали направлять на эти точки сфокусированные импульсы электронов, целенаправленно «пришивая» к дефектам новые атомы.

Так, шаг за шагом, вокруг жидкой капли расплавленного металла выросло кольцо из неподвижных, закреплённых атомов. Учёные назвали эту конструкцию «атомным кораллом». Он стал не просто стеной, а принципиально новым инструментом управления материей.

Жидкость, бросившая вызов абсолютному нулю 

Именно этот коралл породил главное чудо. Когда жидкое металлическое ядро оказалось запертым внутри кольца, его <span class="wp-tooltip" title="Целеориентированная активность животного организма служащая для осуществления контакта с окружающим миром В основе поведения лежат потребности животного организма над которыми надстраиваются исполнительные действия служащие изменилось кардинально. Обычная жидкость при охлаждении ниже точки замерзания кристаллизуется — её атомы выстраиваются в строгий порядок. Но здесь кристаллам было просто неоткуда взяться! Все «затравки» для их роста находились в неподвижном коралле, а центр был изолирован.

В результате жидкость внутри коралла не затвердевала даже при температурах на сотни градусов ниже своей обычной точки замерзания. Платина, к примеру, оставалась жидкой при 350°C, что более чем на 1000°C ниже нормы. Так родилась «сверхохлаждённая закорралированная жидкость» — по сути, новая форма материи, гибрид твёрдого каркаса и жидкого ядра.

«Наше достижение может означать появление новой формы материи, сочетающей характеристики твёрдых и жидкостей в одном материале», — говорит соавтор работы профессор Андрей Хлобистов.

Когда же, при экстремальном охлаждении, этой жидкости всё-таки приходилось твердеть, она образовывала не кристаллическую, а аморфную, «стеклоподобную» структуру, крайне нестабильную и необычную для металлов.

Не просто прорыв в физике, а ключ к технологиям будущего

Открытие не останется красивой лабораторной игрушкой. Его главная Ценность — в прикладном потенциале, особенно в катализе. Катализаторы (чаще всего на основе тех же платины или палладия) — это вещества, ускоряющие химические реакции, без них не обходится Производство топлива, лекарств, удобрений.

«Этот прогресс может привести к разработке самоочищающихся катализаторов с повышенной активностью и долговечностью», — объясняет доктор Джесум Алвес Фернандес из Ноттингемского университета.

Как это работает? В обычном катализаторе активные центры со временем «загрязняются» и перестают работать. Жидкое, динамичное ядро в «коралле» могло бы постоянно обновлять свою поверхность, сбрасывая отработанные частицы и открывая свежие атомы для реакции. Это резко повысило бы эффективность и снизило стоимость тысяч промышленных процессов.

Что это открытие меняет в принципе?

Оно стирает чёткие границы между классическими состояниями материи. Учёные показали, что, контролируя положение всего нескольких ключевых атомов, можно диктовать <span class="wp-tooltip" title="Целеориентированная активность животного организма служащая для осуществления контакта с окружающим миром В основе поведения лежат потребности животного организма над которыми надстраиваются исполнительные действия служащие целого ансамбля, создавая материалы с «заказными», невозможными в природе свойствами. Это шаг от изучения материи к её программированию на атомном уровне. И этот шаг только что был сделан.

Источник