خبر کامل
کشف حالت فیزیکی جدید در فلزات مایع: اتم‌های ثابت در دمای بالا
کشف حالت جدید ماده: اتم‌های ثابت در فلزات مایع
دانشمندان موفق به شناسایی یک حالت فیزیکی کاملاً ناشناخته در فلزات مایع شده‌اند؛ حالتی شگفت‌انگیز که در آن بخشی از اتم‌ها، حتی در دماهای بسیار بالا، بدون حرکت باقی می‌مانند. این کشف نشان می‌دهد که رفتار مایعات، به‌ویژه در مقیاس اتمی، بسیار پیچیده‌تر از تصورات پیشین است و می‌تواند به پیدایش وضعیتی نادر به نام «مایع فوق‌سرد محصورشده» منجر شود.
اهمیت فرآیند انجماد در طبیعت و فناوری
تشکیل جامدات یکی از فرآیندهای بنیادین در طبیعت و فناوری است. از شکل‌گیری کانی‌ها و رشد یخ گرفته تا تاخوردگی الیاف پروتئینی در بدن، همگی به نحوه انجماد مواد وابسته‌اند. در حوزه فناوری نیز، صنایع داروسازی، هوافضا، ساخت‌وساز و الکترونیک به کنترل دقیق فرآیند انجماد متکی هستند، چراکه ساختار نهایی مواد و خواص مکانیکی و شیمیایی آن‌ها به این مرحله بستگی دارد.
مشاهده رفتار اتمی فلزات مذاب
برای بررسی دقیق رفتار مایعات هنگام انجماد، پژوهشگرانی از دانشگاه ناتینگهام بریتانیا و دانشگاه اولم آلمان با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری، قطرات نانومقیاس فلزات مذاب را در حین سرد شدن مشاهده کردند. نتایج این پژوهش در نشریه علمی ACS Nano منتشر شده است.
آندری خلوبیستوف، سرپرست این پژوهش می‌گوید: «ما معمولاً ماده را در سه حالت گاز، مایع و جامد در نظر می‌گیریم. در حالی که رفتار اتم‌ها در گازها و جامدات نسبتاً قابل پیش‌بینی است، مایعات همچنان یکی از اسرارآمیزترین حالت‌های ماده محسوب می‌شوند.»
حرکت آشفته اتم‌ها در مایعات و چالش‌های مشاهده
در مایعات، اتم‌ها به‌طور مداوم و پیچیده در حال حرکت و برهم‌کنش هستند؛ حرکتی که به گفته پژوهشگران شبیه عبور افراد از یک جمعیت متراکم است. ثبت این رفتار، به‌ویژه در لحظه‌ای که مایع شروع به انجماد می‌کند، بسیار دشوار است، در حالی که همین لحظه تعیین‌کننده ساختار نهایی ماده و بسیاری از خواص کاربردی آن است.
ذوب نانوذرات فلزی روی گرافن و کشف اتم‌های ثابت
کریستوفر لایست، که آزمایش‌های میکروسکوپی را با استفاده از دستگاه کم‌ولتاژ SALVE در دانشگاه اولم انجام داده است، توضیح می‌دهد: «ما نانوذرات فلزی مانند پلاتین، طلا و پالادیوم را که روی بستری بسیار نازک از گرافن قرار داشتند، ذوب کردیم. گرافن در این فرآیند مانند یک صفحه گرم‌کن عمل می‌کرد. انتظار داشتیم با ذوب شدن ذرات، تمام اتم‌ها شروع به حرکت کنند، اما برخلاف انتظار مشاهده کردیم که برخی اتم‌ها کاملاً ثابت باقی مانده‌اند.»
بررسی‌های بیشتر نشان داد این اتم‌های بدون حرکت به‌طور محکم به نواحی معیوب گرافن متصل شده‌اند؛ اتصالی که حتی در دماهای بسیار بالا نیز حفظ می‌شود. پژوهشگران با تمرکز پرتو الکترونی توانستند تعداد این نقص‌ها را افزایش داده و به‌طور مستقیم تعداد اتم‌های میخ‌شده در مایع را کنترل کنند.
پرتو الکترونی و کشف فازی جدید از ماده
اوته کایزر، بنیان‌گذار مرکز SALVE در دانشگاه اولم می‌گوید: «آزمایش‌های ما بسیار شگفت‌انگیز بود، زیرا دوگانگی موج-ذره الکترون‌ها را به‌طور مستقیم مشاهده کردیم. الکترون‌ها از یک‌سو به‌صورت موج برای تصویربرداری عمل می‌کنند و از سوی دیگر مانند ذره، تکانه‌های گسسته‌ای منتقل می‌کنند که می‌تواند اتم‌ها را جابه‌جا یا حتی ثابت نگه دارد. همین پدیده به کشف یک فاز جدید از ماده منجر شد.»
این گروه پیش‌تر نیز با همین روش موفق به ثبت فیلم‌هایی از واکنش‌های شیمیایی در مقیاس تک‌مولکولی شده بودند؛ از جمله نخستین مشاهده شکسته‌شدن و بازتشکیل یک پیوند شیمیایی به‌صورت زنده.
نقش اتم‌های ثابت در فرآیند انجماد و تشکیل مایع فوق‌سرد
نتایج جدید نشان می‌دهد که اتم‌های ثابت‌شده تأثیر چشمگیری بر نحوه انجماد مایع دارند. زمانی که تعداد این اتم‌ها کم باشد، بلورها به‌طور طبیعی رشد می‌کنند و کل ذره جامد می‌شود، اما اگر تعداد زیادی از اتم‌ها در جای خود ثابت بمانند، این روند منظم مختل شده و تشکیل بلور به‌طور کامل متوقف می‌شود.
به گفته خلوبیستوف: «وقتی اتم‌های ثابت یک حلقه پیرامون مایع ایجاد می‌کنند، مایع درون این حصار اتمی به دام می‌افتد و می‌تواند حتی در دماهایی بسیار پایین‌تر از نقطه انجماد خود نیز مایع باقی بماند. برای مثال، پلاتین در این حالت می‌تواند تا حدود ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد زیر صفر نقطه انجماد معمول خود مایع بماند؛ یعنی بیش از هزار درجه کمتر از مقدار مورد انتظار.»
از مایع فوق‌سرد تا جامد ناپایدار
با کاهش بیشتر دما، این مایع محصورشده سرانجام جامد می‌شود، اما نه به‌صورت بلوری. در عوض، ساختاری آمورف و بدون نظم اتمی منظم شکل می‌گیرد. این حالت بسیار ناپایدار است و تنها به لطف اتم‌های ثابت‌شده حفظ می‌شود. اگر این قید از بین برود، تنش انباشته آزاد شده و فلز به‌سرعت به ساختار بلوری معمول خود بازمی‌گردد.
پیامدها برای کاتالیزورها و علم مواد
جسوم آلوز فرناندز، متخصص کاتالیز در دانشگاه ناتینگهام می‌گوید: «کشف یک حالت ترکیبی جدید از فلز اهمیت زیادی دارد. از آنجا که پلاتین روی کربن یکی از پرکاربردترین کاتالیزورها در جهان است، شناسایی یک حالت مایع محصور با رفتار فازی غیرکلاسیک می‌تواند درک ما از عملکرد کاتالیزورها را متحول کند و به طراحی کاتالیزورهای خودتمیزشونده با کارایی و طول عمر بیشتر منجر شود.»
گامی به سوی ماده محصورشده در مقیاس اتمی
پیش از این، پدیده محصورسازی در مقیاس نانو تنها برای فوتون‌ها و الکترون‌ها نشان داده شده بود، اما این پژوهش نخستین نمونه از محصورسازی خود اتم‌ها را ارائه می‌دهد.
خلوبیستوف در پایان تاکید می‌کند: «این دستاورد می‌تواند نویدبخش شکل جدیدی از ماده باشد که به‌طور هم‌زمان ویژگی‌های جامد و مایع را در خود دارد.»
پژوهشگران در گام بعدی قصد دارند با کنترل دقیق محل اتم‌های ثابت، حصارهای بزرگ‌تر و پیچیده‌تری ایجاد کنند؛ پیشرفتی که می‌تواند به استفاده بهینه‌تر از فلزات کمیاب در فناوری‌های پاک از جمله سامانه‌های تبدیل و ذخیره انرژی منجر شود.
درباره هوش‌مصنوعی دست‌اول:
تمامی اخبار دست‌اول توسط دستیار هوش مصنوعی «هوشنگ» پردازش، صحت‌سنجی، خلاصه و بازنویسی شده است. هوشنگ هر روز با داده‌های جدید آموزش داده می‌شود و با نظارت دقیق انسانی و سردبیری دست‌اول در حال بهتر شدن است.
شما می‌توانید از چت‌بات و سایر ابزارهای هوشنگ به صورت رایگان استفاده کنید.
