اكتشف الفيزيائيون هجينًا غير عادي من المادة الصلبة والسائلة في نفس الوقت

الباحثون من جامعة نوتنغهام توصلت جامعة أولم في ألمانيا إلى اكتشاف يغير فهمنا للسوائل والتصلب. في مقال نشر اليوم في المجلة ايه سي اس نانووأفادوا أن الذرات في المعادن المنصهرة ليست كلها تتحرك بشكل مستمر. تظل بعض الذرات غير متحركة حتى في درجات الحرارة المرتفعة، مما يؤثر على عملية التصلب ويمكن أن يخلق حالة غير عادية – سائل مغلق فائق التبريد.

كيف تتصرف الذرات في السائل؟

نحن عادة نفكر في السائل باعتباره حشدًا كثيفًا من الذرات التي تتصادم باستمرار مع بعضها البعض. لكن العلماء اكتشفوا أنه عند التفاعل مع العيوب الموجودة في الركيزة، فإن بعض الذرات “تلتصق” بالسطح وتكون ثابتة بالفعل. وأشار البروفيسور أندريه كلوبيستوف من جامعة نوتنغهام:

“عندما ننظر إلى المادة، فإننا نفكر عادة في ثلاث حالات: الغاز والسائل والصلب. وتظل السوائل أكثر غموضا لأن الذرات تتحرك بطرق معقدة وغير متوقعة.”

ولمراقبة العملية، استخدم العلماء المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة، بما في ذلك أداة الجهد المنخفض الفريدة SALVE في أولم. هذا جعل من الممكن تصور سلوك الذرات في القطرات المعدنية النانوية مثل البلاتين والذهب والبلاديوم المترسبة على ركيزة رقيقة من الجرافين.

ذرات ثابتة غير متوقعة

وقال الدكتور كريستوفر ليست، الذي شارك في البحث:

“لقد لاحظنا أن الذرات تتحرك بسرعة أثناء ذوبانها، كما هو متوقع. ولكن بعض الذرات ظلت في مكانها.”

وارتبطت هذه الجسيمات غير المتحركة بقوة بالعيوب النقطية في الركيزة. وتمكن العلماء من التحكم في كميتها من خلال تركيز شعاع الإلكترون، مما يفتح إمكانية التحكم في عملية التصلب.

وأشار البروفيسور أوتي كايزر إلى أن الملاحظات أظهرت ازدواجية الإلكترون:

“تتصرف الإلكترونات كموجات وكجسيمات. يمكنها تحريك الذرات أو تثبيتها على حافة السائل.”

تأثير على تصلب

لقد وجد العلماء أن عددًا صغيرًا من الذرات الثابتة يسمح للسائل بالتبلور بالطريقة المعتادة. ومع ذلك، عندما يكون هناك المزيد منها، تتعطل العملية، ويمكن أن يظل السائل محصورًا وباردًا للغاية عند درجات حرارة أقل من نقطة التجمد العادية. بالنسبة للبلاتين، يمكن أن تصل درجة الحرارة إلى 350 درجة مئوية، أي أقل بألف درجة من درجة حرارة التبلور المعتادة.

وأوضح البروفيسور خلوبيستوف:

“عندما تشكل الذرات الثابتة حلقة حول السائل، فإنه يظل في حالة سائلة. وإذا تم تحرير هذا الحبس، يتحول المعدن إلى بنيته البلورية المعتادة.”

الأهمية العملية للاكتشاف

وهذا الاكتشاف مهم ليس فقط للعلوم الأساسية، ولكن أيضًا للتكنولوجيا. يُستخدم البلاتين المدعم بالكربون على نطاق واسع كمحفز، ويمكن أن يساعد فهم الحالة السائلة المحدودة في إنشاء محفزات أكثر نشاطًا ومتانة. وأضاف الدكتور جيسوم ألفيس فرنانديز من جامعة نوتنغهام:

“يسمح لنا هذا الاكتشاف بإعادة النظر في كيفية عمل المحفزات وإمكانية استخدام المعادن النادرة في التقنيات النظيفة.”

نظرة جديدة للمادة

ووفقا لكلوبيستوف، فإن البحث جعل من الممكن لأول مرة اكتشاف الذرات الفردية في السائل، وهو ما كان ممكنا في السابق فقط باستخدام الإلكترونات أو الفوتونات. إن اكتشاف حالة هجينة جديدة للمعدن، تجمع بين خصائص المواد السائلة والصلبة، يمكن أن يكون المفتاح لإنشاء مواد ذات خصائص فريدة وأنظمة طاقة أكثر كفاءة.

ويأمل الباحثون أن المزيد من التحكم في موقع الذرات الراسية سيسمح لهم بإنشاء هياكل معقدة وتحسين استخدام المعادن النادرة في التقنيات المستقبلية.