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.

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

Эксперимент 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 поведение 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 поведение 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: www.mk.ru