Революционный эксперимент позволил ученым зафиксировать четырехмерное движение атомов
Классические теории фазового перехода, то есть процесса, в ходе которого материалы плавятся, замерзают и испаряются, возможно, придется несколько пересмотреть в результате недавних революционных научных исследований.
Так, группа ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе зафиксировала четырехмерное движение атомов во времени и трехмерном пространстве, в процессе фазового перехода из твердого состояния в жидкое. По словам авторов, этот феномен был обнаружен впервые.
Результаты оказались удивительными, поскольку они противоречат классическим теориям о «нуклеации», то есть объединению атомов в момент перехода из одной фазы в другую. Новое исследование может найти применение при создании и изучении новых материалов, химических веществ и биологических процессов.
Основываясь на опыте предыдущих исследований, группа американских ученых использовала электронный микроскоп национальной лаборатории Министерства энергетики США в Беркли, штат Калифорния, чтобы исследовать слои наночастиц сплава железа и платины размером в 1/10000 толщины человеческого волоса. Образцы были нагреты до 520 градусов Цельсия, поскольку эта температура соответствует переходу из кристаллического состояния в жидкое. Через 9, 16 и 26 минут после нагревания были сделаны трехмерные изображения, в то время как образец вращался в микроскопе.
Используя специальные алгоритмы, ученые отслеживали изменения состояния одних и тех же 33 ядер, всего 13 атомов, расположенных в одной наночастице. «Люди думают, что трудно найти иголку в стоге сена», – сказал профессор физики и астрономии Калифорнийского университета Цзяньвэй Мяо. – Насколько же трудно тогда найти один и тот же атом среди трех миллионов других в три разные момента времени?»
Как и ожидали исследователи, сплав менялся, возвращаясь из жидкого, слегка хаотичного состояния в новое, кристаллическое, где атомы платины и железа аккуратно выровнены. Однако, ученые отметили, что при этом ядра образовывали неправильные формы, вместо идеально круглых, как предсказывают давно существующие теории. Кроме того, вместо ожидаемых четких границ, расположение атомов вблизи поверхности было более беспорядочным.
Хотя несведущему человеку описанные результаты могут показаться не особенно захватывающими, это был первый случай, когда «нуклеация» то есть образование ядра, была зафиксирована в действии.
«Нуклеация является практически нерешенной проблемой во многих областях науки, – сказал один из соавторов Питер Эрсиус. – Как только удается визуализировать какой-либо феномен, можно начинать думать о том, как его контролировать».
Это открытие может привести к появлению более качественных и прочных материалов, а также к более глубокому пониманию закономерностей, стоящих за важнейшими химическими и биологическими реакциями.
01.07.2019 19:44
