Výzkumníci objevili nový stav hmoty, který se nevhodí do kategorií pevných látek, kapalin ani plynů. Tento nový typ materiálu nazvali „omezené superchladné kapaliny“.
Obvykle se atomy v kapalině chovají jako lidé v přeplněném davu – neustále se pohybují a navzájem tlačí. Vědci však našli způsob, jak některé z těchto atomů zastavit, a vytvořili stabilní „stěnu“, která drží pohyblivé atomy kapaliny uvnitř. Když je kapalina uvězněna v takovém víru, její chování se zásadně liší od jakékoli známé formy hmoty.
Uvíznuté atomy mohou zůstat v kapalném stavu i při teplotách mnohem nižších, než je jejich obvyklý bod tání. Příkladem může být platina, která zůstává kapalná až do teploty 350 stupňů Celsia, což je více než 1000 stupňů pod jejím normálním bodem tání. Spoluautor studie, profesor Andrej Klobistov z Univerzity v Nottinghamu, uvádí, že tento objev by mohl signalizovat vznik nové formy hmoty, která kombinuje vlastnosti pevných látek a kapalin v jednom materiálu.
Jak se mění stavy hmoty
Všechny přírodní stavy hmoty, kromě plazmatu (ionizovaného plynu), jsou definovány tím, jak se molekuly a atomy uvnitř materiálu pohybují. Když se látka mění z kapalného na pevný stav, atomy přecházejí z volného pohybu do pevné a uspořádané struktury. Tento přechod je zásadní pro průmyslové aplikace, jako je výroba kovů a farmaceutických produktů, protože ovlivňuje způsob, jakým se krystaly tvoří v konečné pevném produktu. Vzhledem k rychlosti pohybu atomů v kapalině je pro vědce obtížné pochopit, co se přesně děje v tomto okamžiku.
Objev a experimenty
Aby se toho dozvěděli více, vědci použili skenovací elektronový mikroskop k pozorování chování jednotlivých atomů v mikroskopických vzorcích roztavených kovů. Spoluautor Dr. Christopher Leist z Univerzity v Ulmu, který experimenty prováděl, vysvětluje, že nejprve roztavili nanočástice kovů, jako je platina, zlato a palladium, na extrémně tenkém grafenovém substrátu. Grafen sloužil jako druh ohřívací základny pro částice. Když se roztavily, atomy se začaly rychle pohybovat, jak se očekávalo. Vědce však překvapilo, že některé atomy zůstávaly na místě.
Vědci zjistili, že když roztavili nanočástice kovů, jako je platina a zlato, některé jednotlivé atomy se zdály „přilepit“ na svém místě a zůstávat nehybné. Pomocí cílených elektronových vazeb dokázali vědci uvěznit ještě více atomů na místě. Nakonec vytvořili úplný vír nehybných atomů, který obklopoval kapku roztaveného kovu.
Vliv nehybných atomů
Brzy se ukázalo, že tyto atomy byly uvězněny v atomární velikosti „vad“ na povrchu grafenu. Nehybné atomy měly klíčový vliv na proces zpevňování. Když bylo pouze několik nehybných atomů, krystaly se začaly tvořit v kapalině a rostly až do okamžiku, kdy se celé částice zpevnily. Avšak při větším počtu nehybných atomů se žádné krystaly nevytvářely a kapalina nemohla přejít do pevného stavu.
Toto umožnilo vědcům vytvářet omezené superchladné kapaliny uvnitř vírů nehybných atomů a odhalit zcela nový stav hmoty. Ve své studii, publikované v časopise ACS Nano, zjistili, že tyto kapaliny pokračují v pohybu jako běžné kapaliny, i když jsou stovky stupňů pod jejich bodem tání.
Budoucí aplikace
Při konečném zpevnění vytvářejí extrémně nestabilní amorfní pevné látky, nikoli obvyklé krystalické struktury. Z pohledu struktury jsou tedy bližší sklu než běžnému kovovému kusu.
Do budoucna by výzkumníci rádi prozkoumali nové formy atomových „stěn“, které by mohly otevřít nové možnosti využití vzácných kovů v průmyslu. Například platina je jedním z nejdůležitějších kovů pro průmyslové katalyzátory, které urychlují chemické reakce po celém světě. Vědci se domnívají, že schopnost přetvořit tento kov do nového stavu hmoty by mohla zásadně změnit naše porozumění tomu, jak katalyzátory fungují. Spoluautor Dr. Jezum Alves Fernandes z Univerzity v Nottinghamu poukazuje na to, že tento pokrok by mohl vést k návrhu samovymývacích katalyzátorů s vylepšenou účinností a delší životností.
