Neobično međustanje materije konačno osmotreno kod dvodimenzionalnog materijala

Kad kristal ima debljinu od samo jednog atoma, topljenje postaje čudno — i naučnici su to konačno zabeležili kamerom.

Kada materijali postanu debeli samo jedan atom, topljenje više ne prati poznata pravila. Umesto naglog prelaska iz čvrstog u tečni oblik, pojavljuje se neobično međustanje u kom su pozicije atoma labave kao u tečnosti, ali i dalje zadržavaju deo čvrstog poretka.

Preporučujemo

Naučnici na Univerzitetu u Beču su sad zabeležili ovu teško uhvatljivu „heksatičnu“ fazu u realnom vremenu, snimajući ultratanki kristal srebro-jodida dok se topio unutar zaštitnog grafenskog sendviča.

Kad se led pretvara u vodu, promena se dešava gotovo odmah. Čim temperatura dostigne tačku topljenja, kruta struktura leda se urušava u tečnu vodu. Ovaj brz prelaz iz čvrstog u tečno stanje tipičan je za poznate trodimenzionalne materijale.

Izuzetno tanki materijali ponašaju se veoma drugačije. Umesto da se otope odjednom, oni mogu proći kroz neobično međustanje koje se nalazi između čvrstog i tečnog. Ovo retko stanje je poznato kao heksatična faza. Naučnici sa Univerziteta u Beču su sada ovu fazu direktno posmatrali u atomski tankom kristalu, što dosad nije bilo potvrđeno.

Kombinujući naprednu elektronsku mikroskopiju sa nervnim mrežama, istraživači su snimili kristal srebro-jodida dok se topio, zaštićen slojevima grafena. Ovi ultratanki, dvodimenzionalni materijali omogućili su istraživačima da posmatraju topljenje na nivou pojedinačnih atoma. Rezultati značajno unapređuju naučno razumevanje kako se fazni prelazi dešavaju u dve dimenzije. Nalazi takođe protivreče dugotrajnim teorijskim očekivanjima.

Zašto se dvodimenzionalni materijali tope drugačije

U svakodnevnim materijalima, topljenje se dešava naglo. Kad se dostigne temperatura topljenja, uređena čvrsta struktura brzo prelazi u neuređenu tečnost. Ovakvo ponašanje je zajedničko metalima, mineralima, ledu i mnogim drugim trodimenzionalnim supstancama.

Međutim, kada se materijal svede na gotovo dve dimenzije, topljenje ide drugačijim putem. Između čvrstog i tečnog stanja može se pojaviti posebno međustanje. Poznato kao heksatična faza, ovo stanje je prvi put predloženo u 1970-im, ali ga je bilo teško potvrditi u stvarnim materijalima.

U ovoj fazi materijal pokazuje mešovito ponašanje. Rastojanje između čestica postaje neregularno, slično tečnosti, dok uglovi između njih ostaju delimično uređeni — osobina obično povezana sa čvrstim stanjima. Ova kombinacija čini heksatičnu fazu hibridnim stanjem sa svojstvima oba oblika materije.

Rešavanje dugotrajne misterije u stvarnim materijalima

Dosad je heksatična faza bila osmotrena samo u pojednostavljenim sistemima modela kao što su zbijeno upakovane polistirenske sfere. Naučnici nisu bili sigurni da li isto ponašanje može postojati u svakodnevnim materijalima sa jakim hemijskim vezama.

Međunarodni istraživački tim je sad odgovorio na to pitanje. Proučavajući atomski tanke kristale srebro-jodida, istraživači su prvi put direktno osmotrili heksatičnu fazu u snažno vezanom materijalu. Ovo postignuće rešava pitanje koje je decenijama bilo bez odgovora.

Otkriće potvrđuje da se ova teško dokučiva faza može javiti u stvarnim dvodimenzionalnim kristalima i otkriva nove detalje o tome kako topljenje funkcioniše kad se materijali svedu na atomsku debljinu.

Da bi posmatrali ovaj krhki proces, istraživači su osmislili specijalizovanu eksperimentalnu postavku. Jedan sloj srebro-jodida postavljen je između dva lista grafena u zaštitni „sendvič“. Ova struktura je sprečila kolaps delikatnog kristala, dok mu je istovremeno omogućila da se prirodno topi.

Zatim je upotrebljen skenirajući transmisioni elektronski mikroskop (STEM) opremljen grejačem kako bi se postepeno podizala temperaturu uzorka iznad 1100 stepeni Celzijusovih. Ova postavka je omogućila snimanje procesa topljenja u realnom vremenu i u atomskoj rezoluciji.

Praćenje kretanja pojedinačnih atoma tokom topljenja proizvodi ogromnu količinu podataka. Tako da ovaj rad ne bi bio moguć bez upotrebe alata veštačke inteligencije poput nervnih mreža, bilo bi nemoguće pratiti sve te pojedinačne atome“, kažu istraživači.

Nervna mreža je obučavana pomoću velikih skupova simuliranih podataka. Nakon obuke, sistem je analizirao hiljade mikroskopskih slika u visokoj rezoluciji koje su generisane tokom eksperimenta.

Analiza je otkrila upečatljiv rezultat. U malom temperaturnom opsegu — oko 25 stepeni ispod tačke topljenja srebro-jodida — kristal je ušao u jasno definisanu heksatičnu fazu. Dodatna merenja elektronske difrakcije potvrdila su ovo ponašanje, dajući jake dokaze da ovo međustanje postoji u atomski tankim, snažno vezanim materijalima.

Preispitivanje kako topljenje funkcioniše u dve dimenzije

Studija je takođe otkrila ponašanje koje dovodi u pitanje postojeću teoriju. Raniji modeli su sugerisali da bi obe tranzicije — iz čvrstog u heksatično i iz heksatičnog u tečno stanje — trebalo da se dešavaju postepeno. Umesto toga, istraživači su otkrili da je samo prva tranzicija takva.

Dok se prelaz iz čvrstog u heksatično stanje odvijao glatko, promena iz heksatičnog u tečno stanje desila se naglo, kao kad se led pretvara u vodu. „Ovo ukazuje da je topljenje u kovalentnim dvodimenzionalnim kristalima mnogo složenije nego što se mislilo“, kažu autori studije.

Otkriće dovodi u pitanje decenije teorijskih pretpostavki i otvara nove pravce za proučavanje materije u najmanjim razmerama. Istraživači su još jednom demonstrirali koliko moćna može biti mikroskopija atomske rezolucije.

Osim boljeg razumevanja topljenja u dve dimenzije, studija takođe pokazuje kako napredna mikroskopija i veštačka inteligencija mogu zajedno istraživati nove granice u nauci o materijalima.

(Telegraf Nauka/Science Daily)