اتم‌های بی‌حرکت می‌توانند فلز مایع را در حالت جدیدی که نباید وجود داشته باشد، به دام بیاندازند.
دانشمندان کشف کرده اند که مایع همیشه آنطور که به نظر می رسد رفتار نمی کند. حتی زمانی که یک ماده کاملاً مذاب است، برخی از اتم‌های آن می‌توانند بدون توجه به اینکه چقدر داغ می‌شوند در جای خود ثابت باقی بمانند. این اتم های ساکن به شدت بر نحوه تبدیل مایع به جامد تأثیر می گذارند و حتی می توانند منجر به حالت غیرعادی ماده شوند که به عنوان مایع فوق خنک شناخته می شود.
چرا سخت شدن مهم است
فرآیند تشکیل جامد اساس بسیاری از پدیده های طبیعی از جمله کانی سازی، رشد یخ و چین خوردگی فیبرهای پروتئینی است. همچنین برای طیف گسترده ای از فناوری ها حیاتی است. داروسازی مانند صنایع مبتنی بر فلز مانند هوافضا، ساخت و ساز و الکترونیک بر انجماد کنترل شده متکی است.
تماشای Metal Freeze در مقیاس اتمی
برای مطالعه چگونگی جامد شدن مایعات، محققان از[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>University of Nottingham and the University of Ulm in Germany used transmission electron microscopy to observe molten metal nano droplets as they cooled. Their results were published in ACS Nano.
Professor Andrei Khlobystov, who led the research, said, “When we consider matter, we typically think of three states: gas, liquid, and solid. While the behavior of atoms in gases and solids is easier to understand and describe, liquids remain more mysterious.”
https://www.youtube.com/watch?v=7f1MNOFowps
مدل‌سازی نظری حرکت اتم‌ها را در یک نانو قطره پلاتین مایع محصور در داخل یک نقص در بستر کربن بررسی می‌کند. رنگ ها نشان دهنده تحرک اتم ها هستند: اتم های پلاتین در لبه ها تحرک بسیار کمتری دارند و حصار اتمی را در اطراف اتم های متحرک تر واقع در مرکز تشکیل می دهند. اعتبار: دانشگاه ناتینگهام
حرکت آشفته اتم های مایع
اتم‌ها در یک مایع به روشی بسیار پیچیده حرکت می‌کنند، دقیقاً مانند افرادی که در فضای شلوغ حرکت می‌کنند. آنها در حالی که به تعامل ادامه می دهند با عجله از کنار یکدیگر رد می شوند. ثبت این رفتار به ویژه در لحظه ای که مایع شروع به یخ زدن می کند دشوار است، اگرچه این انتقال ساختار نهایی ماده و بسیاری از خواص عملی آن را تعیین می کند.
ذوب نانوذرات روی گرافن
دکتر کریستوفر لیست، که آزمایش‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری را در اولم با استفاده از ابزار ولتاژ پایین SALVE انجام داد، گفت: «ما با ذوب نانوذرات فلزی، مانند پلاتین، طلا و پالادیوم که بر روی یک تکیه‌گاه نازک اتمی – گرافن رسوب شده‌اند، شروع کردیم. گرافن به عنوان نوعی صفحه داغ برای این فرآیند برای گرم کردن ذرات، و با ذوب شدن ذرات، اتم های آنها شروع به حرکت سریع کردند، همانطور که انتظار می رفت. با این حال، در کمال تعجب، متوجه شدیم که برخی از اتم ها ثابت مانده اند.
تحقیقات بیشتر نشان داد که این اتم‌های بی‌حرکت محکم به تکیه‌گاه در محل‌های نقص خاص متصل هستند. این اتصال قوی حتی در دماهای بسیار بالا نیز حفظ می شود. با متمرکز کردن پرتو الکترونی، محققان می‌توانند نقص‌های بیشتری ایجاد کنند و مستقیماً تعداد اتم‌های چسبیده شده در مایع را کنترل کنند.
پرتوهای الکترونی و فاز جدیدی از ماده
پروفسور Ute Kaiser، که مرکز SALVE را در دانشگاه اولم تأسیس کرد، گفت: “آزمایش‌های ما ما را شگفت‌زده کرد، زیرا ما مستقیماً دوگانگی موج-ذره الکترون‌ها را در پرتو الکترونی مشاهده می‌کنیم. ما مواد را با استفاده از الکترون‌ها به عنوان امواج تجسم می‌کنیم. در همان زمان، الکترون‌ها مانند ذرات رفتار می‌کنند و فوران‌های گسسته‌ای را ارائه می‌دهند که می‌توانند به طور ناگهانی یا حتی اتم‌هایی از حرکت ثابت کنند. این مشاهدات قابل توجه به ما اجازه داد تا مرحله جدیدی از ماده را کشف کنیم.
این تیم قبلاً از همین رویکرد برای ضبط فیلم‌هایی از واکنش‌های شیمیایی شامل مولکول‌های منفرد استفاده می‌کردند، از جمله اولین باری که یک پیوند شیمیایی در زمان واقعی شکسته و اصلاح شد. این تکنیک به دانشمندان اجازه می دهد تا مواد شیمیایی را مشاهده کنند اتم در یک نقطه
چگونه اتم های ساکن در هنگام انجماد تغییر می کنند
در آزمایش‌های جدید، محققان دریافتند که اتم‌های متصل به‌طور چشمگیری نحوه جامد شدن مایع را تغییر می‌دهند. هنگامی که تنها چند اتم بی حرکت هستند، کریستال ها به طور معمول از مایع رشد می کنند تا زمانی که کل ذره جامد شود. با این حال، هنگامی که بسیاری از اتم ها در جای خود ثابت می شوند، این فرآیند منظم شکسته می شود و تشکیل کریستال به طور کامل مسدود می شود.
پروفسور آندری خلبیستوف، از دانشگاه ناتینگهام، گفت: “اثر به ویژه زمانی که اتم های بی حرکت حلقه ای تشکیل می دهند که مایع را احاطه کرده است، قابل توجه است. هنگامی که مایع در این حصار اتمی به دام افتاد، می تواند در حالت مایع باقی بماند، حتی در دماهای بسیار پایین تر از نقطه انجماد خود، که برای پلاتین می تواند کمتر از 3150 درجه سانتیگراد باشد، که کمتر از 3150 درجه سانتیگراد است. معمولا انتظار می رود.”
از مایع فوق خنک تا جامد ناپایدار
هنگامی که دما به اندازه کافی کاهش یابد، مایع به دام افتاده در نهایت جامد می شود. به جای تشکیل یک کریستال، به فلزی بی شکل بدون الگوی اتمی مناسب تبدیل می شود. این شکل به شدت ناپایدار است و فقط به این دلیل وجود دارد که اتم های ساکن آن را در جای خود نگه می دارند. اگر این محدودیت نقض شود، تنش انباشته شده آزاد می شود و فلز به سرعت به ساختار کریستالی طبیعی خود بازآرایی می شود.
مفاهیم برای کاتالیزورها و علم مواد
دکتر Yesum Alves Fernandes، کارشناس کاتالیزور در دانشگاه ناتینگهام، گفت: “کشف یک حالت فلزی هیبریدی جدید مهم است. از آنجایی که پلاتین روی کربن یکی از پرکاربردترین کاتالیزورها در سراسر جهان است، یافتن یک حالت مایع محدود با رفتار فاز غیر کلاسیک می‌تواند درک ما را از نحوه عملکرد کاتالیزورها به سمت بهبود طراحی کاتالیزور تغییر دهد. طول عمر.”
به ماده متصل به اتمی
تا کنون، مقیاس نانو مرجانی فقط برای فوتون ها و الکترون ها نشان داده شد. این تحقیق اولین باری است که خود اتم ها کنار هم قرار می گیرند. پروفسور آندری خلبیستوف گفت: “دستاورد ما می تواند منادی شکل جدیدی از ماده باشد که ویژگی های جامدات و مایعات را در یک ماده ترکیب می کند.”
با نگاهی به آینده، هدف محققان کنترل دقیق قرارگیری اتم های لنگر برای ساخت محفظه های بزرگتر و پیچیده تر است. چنین پیشرفتی می تواند استفاده کارآمدتر از فلزات کمیاب را در فناوری های پاک، از جمله تبدیل و ذخیره انرژی، امکان پذیر کند.
مرجع: “اتم های ساکن در فلزات مایع و نقش آنها در مکانیسم های انجماد” نوشته کریستوفر لیست، صادق گادرزاده، امرسون کی کولراوش، یوهانس بیسکوپک، لوک تی نورمن، ایلیا پوپوف، یسوم آلوز فرناندز، یوته کایسر، اندروب دی، الینا، یوت کایزر، اندروب، الینا، 9. 2025، نانو ACS.
DOI: 10.1021/acsnano.5c08201
این کار توسط برنامه EPSRC کمک مالی به اتم‌های فلزی روی سطوح و رابط‌ها (MASI) برای آینده‌ای پایدار تامین شد.
هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.
