Egy friss kutatás szerint egy eddig ismeretlen, új halmazállapot létezhet a folyadék és a szilárd határán, mivel bizonyos atomok mozdulatlanok maradnak még folyékony fémekben is. Ez a felfedezés alapjaiban változtathatja meg azt, ahogyan a fémek megszilárdulását és technológiai felhasználását eddig értelmeztük.
A technológia fejlődésével egyre nagyobb jelentősége van annak, hogy pontosan értsük az anyagok viselkedését extrém körülmények között is. A különböző fémek folyadékból szilárd állapotba való átalakulása különösen fontos folyamat, hiszen ez határozza meg a végső anyagszerkezetet és tulajdonságokat egyaránt. Egy új tanulmány arra világít rá, hogy ezen az átmeneti területen egy új halmazállapot is kialakulhat, amely se nem teljesen folyékony, se klasszikusan szilárd.
Új halmazállapot az atomok szintjén
A brit Nottinghami Egyetem és a német Ulmi Egyetem kutatói az ACS Nano tudományos folyóiratban publikált tanulmányuk szerint azt vizsgálták, mi történik a fémekkel közvetlenül a megszilárdulás előtt.
A kísérletek során platinából, aranyból és palládiumból készült nanorészecskéket olvasztottak meg, melyeket aztán egy vékony, hordozóként és fűtőfelületként is funkcionáló grafénrétegre helyeztek, az olvadt fém nanocseppek vizsgálatára pedig transzmissziós elektronmikroszkópiát alkalmaztak, miközben azok fokozatosan lehűltek.
Amikor a fémek megolvadtak, az atomok többsége a várakozásoknak megfelelően gyors mozgásba kezdett – ahogyan azt egy folyadéktól elvárnánk, hiszen a halmazállapot-változások során a részecskék kötöttsége változik.
A kutatók azonban egy meglepő jelenségre lettek figyelmesek: a folyékony fémben egyes atomok nem mozogtak, hanem hőmérséklettől függetlenül mozdulatlanok maradtak, és a grafén hordozó egy pontszerű hibájához kezdtek el kötődni. Ez a viselkedés teljesen eltér attól, amit korábban a folyadékok atomi szintű működéséről gondoltunk.
Az „atomi karám” kialakulása
A Popular Mechanics beszámolója szerint a kutatás egyik kulcseleme az volt, hogy a tudósok képesek voltak szabályozni a mozdulatlan atomok számát. Elektronnyaláb segítségével növelték a grafénban található hibák mennyiségét, ami lehetővé tette több álló atom és molekula kialakulását a folyékony fémben. A részecskék ugyanakkor nemcsak elszigetelten maradtak mozdulatlanok, hanem akár gyűrűszerű struktúrát, egyfajta „atomi karámot” is létrehoztak a folyadék körül, ez pedig döntő jelentőségűnek bizonyult a megszilárdulás szempontjából.
Ha kevés volt a mozdulatlan atom, a folyékony fém végül kristályosan szilárddá alakult, amikor azonban sok ilyen atom vette körül a folyadékot, a kristályosodás teljesen megakadályozhatóvá vált, s a fém folyékony maradt még jóval a normál fagyáspontja alatt is.
Platinaszemcsék esetében a kutatók azt figyelték meg, hogy a folyadék akár 350 Celsius-fokon is megőrizte folyékony állapotát, ami több mint 1000 fokkal alacsonyabb a fagyáspontjánál. Mivel ez az állapot nem írható le sem hagyományos folyadékként, sem klasszikus szilárd anyagként, éppen ezért beszélnek a szerzők egy új halmazállapról.
A felfedezés jelentősége
Érdekesség azonban, hogy ez az új halmazállapot nem végleges. A folyadék ugyanis idővel mégis megszilárdul, de nem szabályos kristályos szerkezetben, hanem egy instabil, amorf formában. Amint pedig az „atomi karám” megsérül vagy felbomlik, a szerkezet szinte azonnal hagyományos kristállyá alakul át.
A kutatók szerint a felfedezés gyakorlati jelentősége óriási lehet. Az új halmazállapot jobb megértése ugyanis hozzájárulhat a ritkaföldfémek hatékonyabb felhasználásához az energiaátalakítás és -tárolás területén, valamint javíthatja a szénalapú platinakatalizátorok teljesítményét is, melyeket gyakran alkalmaznak üzemanyagcellákban is.
Ez is érdekelhet:
- Sétálhatunk a földköpenyen?
- Magyar kutatók vizsgálják, hogyan alkalmazkodik az űrhajósok agya a világűrhöz
Forrás: