Η αξιοποίηση σπάνιων μετάλλων μια από τις πιθανές εφαρμογές της.
Ερευνητές ανακάλυψαν μια νέα κατάσταση της ύλης που δεν είναι ούτε στερεή ούτε υγρή ούτε αέρια. Οι ερευνητές αποκαλούν αυτόν τον νέο τύπο υλικού «περιορισμένο υπέρψυχρο υγρό».
Τα άτομα σε ένα υγρό συνήθως μοιάζουν με ανθρώπους σε ένα πολυσύχναστο πλήθος, καθώς κινούνται συνεχώς και σπρώχνονται μεταξύ τους. Ωστόσο, οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να ακινητοποιήσουν ορισμένα από αυτά τα άτομα δημιουργώντας ένα ακίνητο «φράγμα» που κρατά τα κινητά άτομα του υγρού παγιδευμένα στο εσωτερικό του. Όταν το υγρό εγκλωβίζεται μέσα σε έναν τέτοιο δακτύλιο η συμπεριφορά του γίνεται διαφορετική από κάθε γνωστή μορφή ύλης.
Τα εγκλωβισμένα άτομα μπορούν να παραμείνουν σε υγρή κατάσταση ακόμη και όταν ψυχθούν σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από το κανονικό σημείο πήξης τους. Η πλατίνα, για παράδειγμα, μπορεί να παραμείνει υγρή σε θερμοκρασίες έως και 350 βαθμούς Κελσίου, δηλαδή πάνω από 1,000 βαθμούς χαμηλότερα από το φυσιολογικό σημείο πήξης της. Ο συν συγγραφέας της μελέτης καθηγητής Αντρέι Κλομπίστοφ από το Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ αναφέρει ότι το επίτευγμα αυτό μπορεί να προαναγγέλλει μια νέα μορφή ύλης που συνδυάζει χαρακτηριστικά στερεών και υγρών στο ίδιο υλικό.
Με εξαίρεση το πλάσμα (ιονισμένο αέριο) όλες οι φυσικές καταστάσεις της ύλης καθορίζονται από το πόσο κινούνται τα μόρια και τα άτομα μέσα σε ένα υλικό. Όταν μια ουσία μεταβαίνει από υγρή σε στερεή κατάσταση τα άτομα περνούν από ελεύθερη κίνηση σε μια σφιχτή και τακτοποιημένη δομή. Αυτή η στιγμή της μετάβασης είναι εξαιρετικά σημαντική για βιομηχανικές εφαρμογές όπως η παραγωγή μετάλλων και τα φαρμακευτικά προϊόντα επειδή καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται οι κρύσταλλοι στο τελικό στερεό. Ωστόσο επειδή τα άτομα σε ένα υγρό κινούνται πολύ γρήγορα είναι δύσκολο για τους επιστήμονες να κατανοήσουν τι ακριβώς συμβαίνει εκείνη τη στιγμή.
Η ανακάλυψη
Για να μάθουν περισσότερα οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης ώστε να παρατηρήσουν πώς συμπεριφέρονται μεμονωμένα άτομα σε μικροσκοπικά δείγματα λιωμένων μετάλλων. Ο συν συγγραφέας Δρ. Κρίστοφερ Λάιστ από το Πανεπιστήμιο του Ουλμ, ο οποίος πραγματοποίησε τα πειράματα, εξηγεί ότι αρχικά έλιωσαν μεταλλικά νανοσωματίδια όπως πλατίνα, χρυσό και παλλάδιο πάνω σε ένα εξαιρετικά λεπτό υπόστρωμα γραφενίου. Το γραφένιο χρησιμοποιήθηκε ως μια είδους εστία θέρμανσης για τα σωματίδια. Καθώς αυτά έλιωναν, τα άτομα άρχισαν να κινούνται γρήγορα, όπως αναμενόταν. Προς έκπληξη των ερευνητών όμως διαπίστωσαν ότι ορισμένα άτομα παρέμεναν ακίνητα.
Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι όταν έλιωναν νανοσωματίδια μετάλλων όπως η πλατίνα και ο χρυσός μερικά μεμονωμένα άτομα φαίνονταν να «κολλάνε» στη θέση τους και να παραμένουν ακίνητα. Με τη χρήση στοχευμένων δεσμών ηλεκτρονίων οι ερευνητές κατάφεραν να παγιδεύσουν ακόμη περισσότερα άτομα στη θέση τους. Τελικά δημιούργησαν έναν πλήρη δακτύλιο από ακίνητα άτομα που περιέβαλλε μια σταγόνα λιωμένου μετάλλου.
Σύντομα έγινε σαφές ότι αυτά τα άτομα παγιδεύονταν σε ατομικής κλίμακας «ατέλειες» της επιφάνειας του γραφενίου. Τα ακίνητα άτομα είχαν καθοριστική επίδραση στη διαδικασία στερεοποίησης. Όταν υπήρχαν λίγα μόνο ακίνητα άτομα σχηματίζονταν κρύσταλλοι στο υγρό και μεγάλωναν μέχρι να στερεοποιηθεί ολόκληρο το σωματίδιο. Όταν όμως ο αριθμός των ακίνητων ατόμων ήταν μεγάλος δεν σχηματιζόταν κανένας κρύσταλλος και το υγρό δεν μπορούσε να μετατραπεί σε στερεό.
Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να δημιουργήσουν περιορισμένα υπέρψυχρα υγρά μέσα σε δακτυλίους ακίνητων ατόμων και να αποκαλύψουν μια εντελώς νέα κατάσταση της ύλης. Στη μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό ACS Nano, διαπίστωσαν ότι αυτά τα υγρά συνεχίζουν να κινούνται όπως τα υγρά ακόμη και όταν βρίσκονται εκατοντάδες βαθμούς κάτω από το σημείο πήξης τους.
Όταν τελικά στερεοποιούνται, σχηματίζουν εξαιρετικά ασταθή άμορφα στερεά αντί για τις συνηθισμένες κρυσταλλικές δομές. Από δομική άποψη αυτό τα καθιστά πιο κοντά στο γυαλί παρά σε ένα κανονικό κομμάτι μετάλλου.
Στο μέλλον, οι ερευνητές ελπίζουν ότι νέα σχήματα ατομικών «φραγμάτων» θα ανοίξουν νέους τρόπους αξιοποίησης σπάνιων μετάλλων στη βιομηχανία. Η πλατίνα, για παράδειγμα, είναι ένα από τα σημαντικότερα μέταλλα για βιομηχανικούς καταλύτες που επιταχύνουν χημικές αντιδράσεις σε όλο τον κόσμο. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η δυνατότητα μετατροπής αυτού του μετάλλου σε μια νέα κατάσταση της ύλης θα μπορούσε να αλλάξει την κατανόησή μας για τον τρόπο λειτουργίας των καταλυτών. Ο συν συγγραφέας Δρ. Τζέζουμ Άλβες Φερνάντες από το Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ σημειώνει ότι αυτή η εξέλιξη μπορεί να οδηγήσει στον σχεδιασμό αυτοκαθαριζόμενων καταλυτών με βελτιωμένη απόδοση και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
