研究人員發現，液體內部並非所有原子都在移動。即使在非常高的溫度下，一些原子仍保持在原位。這些休眠原子對液體如何變成固體具有重大影響。這包括創造一種不尋常的物質狀態，稱為畜欄過冷液體。
材料如何硬化在許多自然過程中很重要，例如礦化。冰的形成和蛋白質纖維的折疊凝固也是許多技術的核心。從製藥到冶金工業，包括航空、建築和電子。
在原子水平上對熔融金屬進行成像
為了探索固體是如何形成的，德國諾丁漢大學和烏爾姆大學的科學家使用透射電子顯微鏡觀察熔融金屬凝固時的納米液滴。他們的研究結果於 12 月 9 日發表在該雜誌上。 ACS納米–
團隊負責人安德烈·赫洛比斯托夫教授表示：“當我們考慮物質時，我們往往會想到三種狀態：氣體、液體和固體，儘管氣體和固體中原子的行為更容易理解和解釋。但液體仍然更加神秘。”
液體內的複雜運動
在液體中，原子以復雜而密集的方式運動。就像人們擠在繁忙的道路上一樣。它們高速地擦肩而過，同時仍然相互作用。在液體開始凝固的關鍵時刻，這種運動尤其難以研究。這一過程決定了材料的結構及其許多功能特性。
石墨烯“跳躍”實驗和SALVE儀器
Christopher Leist博士在烏爾姆使用獨特的低壓SALVE儀器進行了透射電子顯微鏡實驗，他說：“我們首先溶解鉑、金和鈀等金屬納米顆粒。這些納米顆粒沉積在原子的薄載體上，即石墨烯。我們使用石墨烯作為這一過程的一種熔爐來加熱顆粒。正如預期的那樣，當它們熔化時，它們的原子開始快速移動。然而，我們驚訝地發現一些原子仍然一動不動。”
進一步的分析表明，這些靜止原子在稱為缺陷的特定位置緊密粘附在支撐材料上。即使在非常高的溫度下，這種牢固的結合仍然存在。通過將電子束聚焦到選定的區域，團隊可以製造更多的錯誤。並調整固定在液體內的原子數量。
波粒二象性和物質的新相。
烏爾姆大學 SALVE 中心創始人 Ute Kaiser 教授表示：“當我們直接觀察到電子束中電子的波粒二象性時，我們的實驗讓我們感到驚訝。我們將電子視為波來可視化材料。同時電子的行為就像粒子一樣。它傳遞出一股離散的力，可以移動甚至令人驚訝地固定液態金屬邊緣的原子。這一非凡的觀察使我們能夠發現物質的新相。”
同一個研究小組此前製作了一部涉及單個分子的化學反應的影片。這包括首次實時直接記錄化學鍵的斷裂和重組。他們的方法使得在單個原子水平上觀察化學揭示成為可能。
原子圍欄和停止的晶體生長
在這項新研究中，科學家發現靜止原子在控制液體變成固體的過程中發揮著關鍵作用。當只有少數原子被固定時，晶體可以從液體中生長並繼續膨脹，直到所有納米顆粒都凝固。相反，當許多原子固定在適當的位置時，它們會干擾這一過程並根本阻止任何晶體的形成。
諾丁漢大學的 Andrei Khlobystov 教授表示：“當靜止的原子形成包圍液體的環時，這種效應尤其顯著。當液體被困在這個原子殼中時，即使在遠低於其冰點的溫度下，它仍然保持液態。對於鉑來說，溫度可以低至 350 攝氏度，比一般預期值低 1000 多度。”
封閉的過冷液體和不穩定的非晶態金屬
如果溫度下降足夠多，腐蝕性液體最終會變成固體。但它不會變成普通的晶體。但它變成了無定形固體。它是一種不具有各自晶體結構的金屬形式。這種非晶態金屬非常不穩定，只有當靜止原子仍被限制在其中時才存在。當禁錮被打破時，積累的張力就會被釋放。並且金屬重新排列成正常的晶體形式。
雜化金屬態和催化
諾丁漢大學催化專家 Jesum Alves Fernandes 博士表示：“發現新的金屬混合態非常重要。這是因為鉑和碳是世界上使用最廣泛的催化劑之一。找到具有非經典相行為的受限液態可能會改變我們對催化劑工作原理的理解。這一進展可能會導致設計出具有更高活性和更長壽命的自清潔催化劑。”
邁向新的物質形式和更清潔的技術。
到目前為止，納米聚集只能通過光子和電子來實現。這項研究首次證明原子可以以同樣的方式粘在一起。安德烈·赫洛比斯托夫教授說：“我們的成就可能預示著一種新的物質形式，它將固體和液體的特性結合在同一材料中。”
研究人員建議仔細排列表面上固定的原子。創造更大、更複雜的原子圍欄是可能的。利用這些稀有金屬可以在清潔技術中更有效地利用這些材料。包括能量轉換和能量儲存。
這項工作由 EPSRC 資助項目“表面和界面上的金屬原子 (MASI) 實現可持續的未來”資助。
