Оказывается, внутри расплавленного металла не все атомы находятся в движении — некоторые остаются на месте даже при высоких температурах. Эти «зафиксированные» атомы оказывают значительное влияние на процесс затвердевания и позволяют формировать необычное состояние материи.
Понимание того, как материалы переходят из жидкого состояния в твердое, имеет огромное значение для множества процессов — от формирования льда и минералов до разработки лекарств, электроники и авиационных материалов. Однако изучать поведение атомов в жидкостях сложнее, чем в газах или твердых телах. Атомы в жидкости движутся хаотично, как люди в толпе на оживленной улице — они стремительно проходят мимо друг друга, одновременно взаимодействуя.
Чтобы заглянуть внутрь этого процесса, эксперты Ноттингемского университета и Университета Ульма применили уникальный низковольтный электронный микроскоп SALVE, с помощью которого им удалось пронаблюдать нанокапли расплавленных металлов — платины, золота и палладия — на подложке из графена толщиной в один атом. Графен выступал в роли своеобразной «плиты» для нагрева частиц.
Когда металл расплавился, его атомы, как и ожидалось, начали быстро и хаотично двигаться. Однако к удивлению ученых, часть атомов оставалась неподвижной. Исследование показало, что эти атомы прочно связаны с подложкой в местах, известных как точечные дефекты, и эта связь сохраняется даже при экстремальных температурах.
Исследователи установили, что неподвижные атомы играют важную роль в процессе кристаллизации. Когда закреплено лишь несколько атомов, кристаллическая структура может вырасти из жидкости и распространиться на всю наночастицу. Однако при большом количестве неподвижных атомов они препятствуют образованию кристаллов.
«Эффект особенно впечатляющ, когда неподвижные атомы формируют кольцо вокруг жидкости», — пояснил профессор Ноттингемского университета Андрей Хлобыстов. «Попадая в такой атомный загон, металл может оставаться жидким при температурах значительно ниже точки замерзания — для платины это может быть на тысячу градусов ниже обычного».
При достаточном охлаждении «жидкость в загоне» все же затвердевает, но превращается при этом не в кристалл, а в аморфный металл — то есть, не имеющий упорядоченной структуры. Это состояние крайне нестабильно и существует лишь до тех пор, пока атомный загон сохраняется.
