دانشمندان حالتی تازه از ماده را کشف کردهاند که رفتار مایع و جامد را همزمان نشان میدهد و میتواند مسیر فناوریهای صنعتی را تغییر دهد.
به گزارشسرویس علمی تکناک، در این حالت برخی اتمهای موجود در مایع برخلاف انتظار حرکت نمیکنند و در جای خود ثابت میمانند. این پدیده باعث میشود که مایع در یک حالت عجیب و فوقسرد محبوس شود. پژوهشگران دانشگاه ناتینگهام و اولم اعلام کردند که این کشف میتواند در صنایع داروسازی، هوانوردی، ساختوساز و الکترونیک نقش مهمی داشته باشد.
درک رفتار مایع همیشه یکی از چالشهای اصلی فیزیک بوده است. گاز و جامد بهخوبی تعریف شدهاند، اما مایع ساختاری پیچیده و غیرقابلپیشبینی دارد. اتمها در مایع بهطور مداوم جابهجا میشوند و تعاملهای سریع ایجاد میکنند. زمانی که مایع شروع به جامد شدن میکند، ساختار نهایی جامد و ویژگیهای آن مشخص میشود و این فرایند در مواردی مانند تشکیل مواد معدنی، یخ و تاخوردگی پروتئینها نقش مهمی دارد.
پژوهشگران برای بررسی این مرحله حساس از میکروسکوپ الکترونی کمولتاژ SALVE در University of Ulm استفاده کردند. آنها نانوذرات فلزی شامل پلاتین، طلا و پالادیوم را روی بستری از گرافن قرار دادند و آنها را ذوب کردند. گرافن نقش صفحه گرمکن را داشت و هنگام ذوب شدن ذرات، اتمها حرکت سریع خود را آغاز کردند. با وجود این، گروهی از اتمها برخلاف انتظار ثابت ماندند و جابهجا نشدند.
بخوانید: نخستین شبیهسازی فرایند جذب ماده توسط سیاهچاله با ابررایانهها
این اتمهای ثابت حتی در دماهای بسیار بالا نیز به نقصهای موجود در ساختار گرافن متصل ماندند. پژوهشگران با استفاده از پرتوی الکترونی تعداد این نقصها را افزایش دادند و توانستند میزان اتمهای ثابتشده را در فلز مذاب با دقت بالا کنترل کنند. این سطح از کنترل، مسیر کشف نقش اتمهای ثابت در فرایند جامدسازی را باز کرد.
بررسیها نشان داد که بلور معمولی تنها زمانی شکل میگیرد که تعداد اتمهای ثابت کم باشد. اما اگر تعداد این اتمها افزایش پیدا کند و ساختاری حلقهای تشکیل شود، جامد شدن بهشدت مختل میشود. در این حالت مایع به دام میافتد و میتواند در محدوده فوقسرد مدت طولانی مایع باقی بماند.
پژوهشگران اعلام کردند که مایع محصورشده میتواند تا دماهایی بسیار پایینتر از نقطه انجماد خود به حالت مایع باقی بماند. برای نمونه، پلاتین ممکن است تا حدود ۳۵۰ درجه سلسیوس مایع بماند، که بیش از هزار درجه کمتر از مقدار معمول است. این پدیده زمانی رخ میدهد که حلقهای از اتمهای ثابت پیرامون مایع تشکیل شود.
مطلب پیشنهادی: ماده تاریک برای اولین بار از طریق پرتوهای گاما آشکار شد
مایع محصورشده پس از خروج از این حلقه اتمی و آغاز جامدسازی، ساختار آمورفی و شیشهمانند به وجود میآورد. فقط زمانی که حصار اتمی از بین برود، فلز قادر است ساختار بلوری پایدار و طبیعی خود را تشکیل دهد.
این کشف نقطه عطفی در فیزیک ماده محسوب میشود. پیش از این، پدیده محصورسازی تنها برای فوتونها و الکترونها اثبات شده بود و این نخستینبار است که چنین رفتاری در سطح اتمها مشاهده میشود. پژوهشگران اعلام کردند که این یافته میتواند در طراحی کاتالیزورهای خودتمیزشونده با کارایی بالاتر و عمر بیشتر کاربرد داشته باشد و مصرف فلزات کمیاب را در فناوریهای پاک بهینه کند.
نتایج این کشف از حالت جدید ماده با ویژگیهای همزمان مایع و جامد در نشریه ACS Nano منتشر شده است.
