To odkrycie ma w sobie coś z magii i coś z bardzo przyziemnej technologii. Z jednej strony mówimy o pojedynczych atomach platyny, które zachowują się jak mikroskopijne słupki ogrodzenia. Z drugiej strony dotykamy świata katalizatorów i przemysłowych procesów, w których metal na węglu pracuje dla nas codziennie w rafineriach, fabrykach chemikaliów i przyszłych technologiach magazynowania energii.
Nowy hybrydowy stan metalu, czyli gdzie spotykają się ciecz i ciało stałe
W klasycznej szkolnej wersji mamy trzy stany skupienia: gaz, ciecz i ciało stałe. Gaz kojarzymy z chaotycznym ruchem cząsteczek, ciało stałe z uporządkowaną siecią atomów, a ciecz z czymś pomiędzy. Problem w tym, że to „pomiędzy” od lat nie dawało fizykom spokoju. Teraz dochodzi do tego kolejna komplikacja: okazuje się, że w cieczy część atomów może być całkowicie unieruchomiona.
Zespół z Uniwersytetu w Nottingham i Uniwersytetu w Ulm pokazał, że w nanokropli stopionego metalu istnieją jednocześnie dwa światy. Większość atomów porusza się jak tłum ludzi opuszczający stadion po meczu. Jednocześnie pewna grupa pozostaje przytwierdzona do podłoża niczym metalowe słupki barierki. To właśnie one tworzą coś w rodzaju atomowego ogrodzenia, które zaczyna rządzić całym procesem zastygania cieczy.
Kiedy tych „przyczepionych” atomów jest niewiele, wszystko przebiega po staremu. Z cieczy wyrasta kryształ, rośnie i krok po kroku zamienia całą kroplę w klasyczne ciało stałe. Jeśli jednak nieruchomych atomów jest dużo, proces krystalizacji zostaje rozbity. Metal nie potrafi poukładać się w znane nam z podręczników regularne struktury. Zamiast tego rodzi się nowy stan: uwięziona, przechłodzona ciecz, która może istnieć zaskakująco długo poniżej swojej normalnej temperatury zamarzania.
Jak złapano ciekły metal w atomową pułapkę?
Żeby w ogóle zobaczyć takie zjawisko, trzeba było sięgnąć po jedne z najbardziej zaawansowanych narzędzi, jakie ma dziś do dyspozycji nanotechnologia. Naukowcy stopili nanocząstki metali, m.in. platyny, złota i palladu, osadzone na ultracienkim podłożu z grafenu. Grafen pełnił tu funkcję idealnie gładnej płyty grzewczej, na której można sterować temperaturą i jednocześnie podglądać każdy atom w mikroskopie elektronowym o bardzo niskim napięciu, tzw. SALVE.
W momencie, gdy krople metalu zaczęły się topić, wszystko wyglądało dokładnie tak, jak przewiduje teoria. Atomowy tłum poruszał się szybko, cząsteczki mijały się i mieszały. Zaskoczenie przyszło, gdy badacze zauważyli, że część atomów w ogóle się nie rusza, niezależnie od tego, jak bardzo podnoszono temperaturę. Okazało się, że te „zamrożone” atomy są przyspawane do drobnych defektów w strukturze grafenu.
Kolejny krok był już czystą inżynierską kreatywnością. Skoro defekty podłoża wiążą atomy tak mocno, że unieruchamiają je w rozgrzanym metalu, to może da się tych defektów stworzyć więcej. Naukowcy użyli skupionej wiązki elektronów nie tylko do obserwacji, lecz także do „rysowania” kolejnych punktów, w których atomy miały zostać przytwierdzone. W ten sposób byli w stanie kontrolować liczbę i rozmieszczenie nieruchomych atomów na krawędzi ciekłej kropli.
Najbardziej spektakularny efekt pojawił się wtedy, gdy te unieruchomione atomy ułożyły się w pierścień otaczający kroplę. Powstał dosłownie atomowy padok, w którym ciekły metal został zamknięty. W takiej konfiguracji platyna pozostawała w stanie ciekłym nawet przy temperaturze około 350 stopni Celsjusza, czyli ponad tysiąc stopni poniżej typowego punktu topnienia tego metalu. Dopiero przy dalszym chłodzeniu uwięziona ciecz przechodziła w postać amorficzną, przypominającą szkło metaliczne, czyli ciało stałe pozbawione uporządkowanej sieci krystalicznej.
Co z tego mają katalizatory i zielone technologie?
Na pierwszy rzut oka brzmi to jak fizyczna ciekawostka dla garstki specjalistów od mikroskopów elektronowych. W rzeczywistości mówimy o zjawisku, które dotyka jednego z najbardziej rozpowszechnionych narzędzi współczesnego przemysłu: katalizatorów opartych na platynie osadzonej na węglu. Takie układy pracują w układach oczyszczania spalin, procesach chemicznych, a coraz częściej także w technologiach ogniw paliwowych i magazynowania energii.
Jeżeli część aktywnej powierzchni katalizatora może istnieć w uwięzionym stanie „pomiędzy” cieczą a ciałem stałym, to zmienia się sposób, w jaki rozumiemy jego pracę. Przechłodzona ciecz zachowuje się inaczej niż klasyczny kryształ. Atomy na granicy faz mogą szybciej się przemieszczać, odsłaniać nowe miejsca aktywne i samoczynnie „przecierać” powierzchnię z zanieczyszczeń. Badacze wprost sugerują, że w przyszłości może to prowadzić do projektowania katalizatorów samoczyszczących, które dłużej zachowują wysoką aktywność i wymagają mniej cennego metalu.
Na tym jednak potencjalne zastosowania się nie kończą. Uwięziona, przechłodzona ciecz to stan wrażliwy na kształt i wielkość atomowego ogrodzenia. Zmieniając geometrię pierścienia nieruchomych atomów, można w zasadzie „programować” zachowanie kropli: decydować, kiedy zacznie zastygać, jak będzie wyglądał powstały z niej amorficzny metal i przy jakich warunkach przejdzie w zwykły kryształ. To z kolei otwiera drogę do bardziej oszczędnego wykorzystywania rzadkich metali w urządzeniach do konwersji i magazynowania energii, od baterii po zaawansowane ogniwa paliwowe.
Granice między stanami materii zacierają się coraz bardziej
W szerszym naukowym obrazie to odkrycie wpisuje się w trend, który widać już od kilku lat: proste podziały między stanami materii coraz częściej się rozmywają. Mamy superkrytyczne płyny, które jednocześnie zachowują się jak gaz i jak ciecz. Teraz dołącza do tego hybrydowy stan metalu, w którym część atomów jest zamrożona w miejscach niczym w ciele stałym, a reszta porusza się swobodnie jak w cieczy.
Ciekawy jest również sam mechanizm „zagrodzenia” materii. Do tej pory naukowcom udawało się tworzyć mikroskopijne „corralle” głównie dla fotonów i elektronów, czyli cząstek światła i nośników ładunku. Tu po raz pierwszy wzięli na smycz całe atomy. To jakościowa zmiana, bo atomy są znacznie cięższe, oddziałują ze sobą mocniej i wprost budują materiał, z którego składa się obserwowany obiekt.
Gdzie może nas to zaprowadzić dalej? Skoro da się uwięzić ciecz w nanoskali, być może w przyszłości będziemy tworzyć bardziej rozbudowane „mapy” złożone z wielu ogrodzonych obszarów o różnych własnościach. Taki materiał mógłby mieć w jednym fragmencie bardziej płynny, „żywy” charakter, a w innym zachowywać się jak klasyczny twardy metal. W praktyce przypominałoby to coś w rodzaju wewnętrznie zaprogramowanego kompozytu, który reaguje na temperaturę i obciążenia w subtelniejszy sposób niż dzisiejsze stopy.
Lubię takie odkrycia, bo zmieniają nasz obraz świata nie poprzez efekciarskie hasła, tylko przez ciche doprecyzowanie szczegółów. Niby nadal mamy gaz, ciecz i ciało stałe, ale nagle okazuje się, że w jednej kropli metalu dzieje się więcej niż na schemacie z lekcji chemii. Kilka utrwalonych atomów potrafi zatrzymać w płynnym stanie resztę kropli głęboko poniżej temperatury zamarzania, a przy okazji dać nam zupełnie nowy typ materiału. To bardzo elegancki przykład tego, jak ważne są lokalne szczegóły w świecie, który lubimy opisywać globalnymi definicjami.
Z perspektywy zastosowań podoba mi się szczególnie wątek „mądrzejszego” wykorzystania rzadkich metali. Platyna jest droga, zasoby mamy ograniczone, a jednocześnie pakujemy ją wszędzie tam, gdzie potrzeba wydajnego katalizatora. Jeżeli dzięki lepszemu zrozumieniu stanów przejściowych między cieczą a ciałem stałym uda się projektować układy trwalsze i samoczyszczące, to jest to po prostu bardzo praktyczny efekt z pozoru abstrakcyjnej fizyki.
No i jest jeszcze aspekt czysto ludzki. Łatwo zachwycać się wielkimi magnesami w akceleratorach cząstek albo teleskopami zaglądającymi w najdalsze zakątki kosmosu. Tymczasem ktoś spędza setki godzin, patrząc na pojedyncze atomy w mikroskopie elektronowym i bawiąc się wiązką tak, jakby rysował po materiale nanoskopijnym ołówkiem. Efektem jest odkrycie nowego stanu materii, które może za kilka lat wpłynąć na to, jak długo działa katalizator w instalacji przemysłowej albo ile metalu trzeba zużyć w nowym typie ogniwa. To jest dokładnie ten rodzaj nauki, który lubię: z jednej strony fascynujący na poziomie fundamentalnym, z drugiej bardzo blisko rzeczywistości, w której żyjemy.