Bron: Science Daily | Methode: Herschreven
Origineel: “Researchers catch atoms standing still inside molten metal”
Scientists have uncovered that some atoms in liquids don't move at all—even at extreme temperatures—and these anchored atoms dramatically alter the way materials freeze. Using advanced electron microscopy, researchers watched molten metal droplets solidify and found that stationary atoms can…
Een internationaal team van wetenschappers heeft een opmerkelijke ontdekking gedaan die ons begrip van materie fundamenteel kan veranderen. Onderzoekers van de Universiteit van Nottingham en de Universiteit van Ulm in Duitsland hebben vastgesteld dat sommige atomen in vloeistoffen volledig stilstaan – zelfs bij extreem hoge temperaturen. Deze stilstaande atomen hebben een dramatische invloed op hoe materialen stollen en kunnen leiden tot een bizarre hybride toestand van materie.
**Revolutionaire waarnemingstechniek**
Het team gebruikte geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopie om op atomaire schaal te observeren hoe gesmolten metaaldruppeltjes stollen. Hun bevindingen werden op 9 december gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano.
Professor Andrei Khlobystov, die het onderzoeksteam leidde, verklaart: “Wanneer we over materie nadenken, beschouwen we doorgaans drie toestanden: gas, vloeistof en vast. Hoewel het gedrag van atomen in gassen en vaste stoffen gemakkelijker te begrijpen en te beschrijven is, blijven vloeistoffen mysterieuzer.”
**Complexe bewegingen in vloeistoffen**
In vloeistoffen bewegen atomen op een gecompliceerde, drukke manier – vergelijkbaar met mensen die zich door een drukke straat wringen. Ze schieten met hoge snelheid langs elkaar terwijl ze nog steeds interacteren. Deze beweging is bijzonder moeilijk te bestuderen tijdens het cruciale moment waarop een vloeistof begint te stollen, een fase die de structuur van het materiaal en veel van zijn functionele eigenschappen bepaalt.
**Grafeen als ‘kookplaat’**
Dr. Christopher Leist, die de experimenten uitvoerde met het unieke lage-voltage SALVE-instrument in Ulm, beschrijft de aanpak: “We begonnen met het smelten van metaalnanopartikels, zoals platina, goud en palladium, gedeponeerd op een atomair dunne drager – grafeen. We gebruikten grafeen als een soort kookplaat voor dit proces om de deeltjes te verhitten. Toen ze smolten, begonnen hun atomen snel te bewegen, zoals verwacht. Tot onze verrassing ontdekten we echter dat sommige atomen stilbleven staan.”
Verdere analyse toonde aan dat deze stilstaande atomen sterk gehecht zijn aan het ondersteunende materiaal op specifieke locaties, puntdefecten genaamd. Deze sterke binding houdt stand, zelfs bij zeer hoge temperaturen. Door de elektronenstraal op geselecteerde gebieden te concentreren, kon het team meer defecten creëren en daarmee het aantal vastgezette atomen in de vloeistof aanpassen.
**Golf-deeltje dualiteit en nieuwe materiaaltoestand**
Professor Ute Kaiser, die het SALVE-centrum aan de Universiteit van Ulm oprichtte, benadrukt de theoretische implicaties: “Onze experimenten hebben ons verrast omdat we direct de golf-deeltje dualiteit van elektronen in de elektronenstraal waarnemen. We visualiseren het materiaal met behulp van elektronen als golven. Tegelijkertijd gedragen elektronen zich als deeltjes, die discrete stoten van momentum leveren die atomen kunnen bewegen of, verrassend genoeg, zelfs kunnen vastzetten aan de rand van een vloeibaar metaal.”
**Atomaire corrals verstoren kristalgroei**
De wetenschappers ontdekten dat stilstaande atomen een krachtige rol spelen in het sturen van hoe een vloeistof vast wordt. Wanneer slechts enkele atomen vastgezet zijn, kan een kristal groeien vanuit de vloeistof en blijven uitbreiden totdat het hele nanodeeltje vast wordt. Daarentegen interfereren veel vastgehouden atomen met dit proces en blokkeren ze de vorming van kristallen volledig.
Professor Khlobystov legt uit: “Het effect is bijzonder opvallend wanneer stilstaande atomen een ring vormen die de vloeistof omringt. Zodra de vloeistof gevangen is in deze atomaire corral, kan ze in vloeibare toestand blijven, zelfs bij temperaturen aanzienlijk onder haar vriespunt. Voor platina kan dit zo laag zijn als 350 graden Celsius – dat is meer dan 1.000 graden onder wat normaal verwacht wordt.”
**Instabiele amorfe metalen**
Als de temperatuur voldoende wordt verlaagd, wordt de ingesloten vloeistof uiteindelijk vast, maar niet in een regelmatige kristalvorm. In plaats daarvan wordt het een amorfe vaste stof – een vorm van metaal zonder de geordende structuur van een kristal. Dit amorfe metaal is zeer instabiel en bestaat alleen zolang de stilstaande atomen het blijven opsluiten. Zodra die opsluiting wegvalt, wordt de opgebouwde spanning vrijgegeven en herrangschikt het metaal zich in zijn gebruikelijke kristallijne vorm.
**Revolutie in katalyse**
Dr. Jesum Alves Fernandes, expert in katalyse aan de Universiteit van Nottingham, benadrukt de praktische betekenis: “De ontdekking van een nieuwe hybride toestand van metaal is significant. Omdat platina op koolstof een van de meest gebruikte katalysatoren wereldwijd is, zou het vinden van een ingesloten vloeibare toestand met niet-klassiek fasegedrag ons begrip van hoe katalysatoren werken kunnen veranderen. Deze vooruitgang kan leiden tot het ontwerp van zelfreinigende katalysatoren met verbeterde activiteit en levensduur.”
**Toekomstperspectief**
Tot nu toe was nanoschaal-corralling alleen bereikt voor fotonen en elektronen. Deze studie is de eerste demonstratie dat atomen zelf op vergelijkbare wijze kunnen worden ingesloten. Professor Khlobystov concludeert: “Onze prestatie zou een nieuwe vorm van materie kunnen inluiden die kenmerken van vaste stoffen en vloeistoffen in hetzelfde materiaal combineert.”
De onderzoekers suggereren dat door zorgvuldig de posities van vastgezette atomen op een oppervlak te arrangeren, ze mogelijk grotere en ingewikkelder atomaire corrals kunnen bouwen. Dergelijke controle over zeldzame metalen zou kunnen leiden tot efficiënter gebruik van deze materialen in schone technologieën, waaronder energieomzetting en energieopslag. Dit onderzoek opent deuren naar een fundamenteel nieuw begrip van materie en belooft praktische doorbraken in katalyse en materiaaltechnologie.