研究發現：新混合態物質兼有固體和液體特性
【大紀元2025年12月25日訊】（大紀元記者吳瑞昌綜合報導）傳統觀點認為金屬的固態與靜態，區別在原子的運動速度，但近期國際研究團隊的新發現正顛覆這項認知。他們發現，液態金屬奈米液滴在極端溫度下，存在著完全靜止的原子宛如「錨定」，且對金屬冷卻凝固的過程產生決定性影響。
金屬在高溫液體時，內部原子以複雜而密集的方式高速運動，且彼此間快速掠過和相互作用，類似於街道上人們熙熙攘攘的摩肩接踵。不過，要捕捉金屬從液態轉為固態的瞬間極其困難，而該階段又決定材料的結構，及其許多功能特性。
為了探索金屬剛形成固體的階段，英國諾丁漢大學（University of Nottingham）和德國烏爾姆大學（University of Ulm）的科學家利用透射電子顯微鏡技術，觀察了金屬奈米液滴剛凝固的過程，意外發現了一些原子在極端溫度下保持不動的祕密，且這些靜止原子的數量和位置，都會影響冷卻時的凝固路徑。
這項新發現為礦化作用、冰的形成和蛋白質原纖維的折疊凝固過程提供新的見解，同時有望為製藥、航空、建築、電子與催化劑等產業的研發帶來新突破。該研究成果於12月9日發表在《ACS Nano》雜誌。
研究團隊先前曾製作過涉及單一分子的化學反應影片，其中包括首次記錄化學鍵斷裂和重組的過程，該方法使得觀察單一層面原子的化學反應。
這次，研究團隊使用「球差校正和色差校正高解析度透射電子顯微鏡（HRTEM）」，並開發出一項可在20°C至800°C溫度範圍內，對金屬奈米顆粒進行原子級解析度成像的創新方法。
他們首先將鉑（白金）、金和鈀的金屬原子沉積在石墨烯基底上，形成3至6奈米大小的奈米顆粒，並加熱觀察其熔化成液態的過程。
實驗結果顯示，這些金屬顆粒正如預期的那樣熔化，內部的原子開始快速運動。不過，令研究人員感到吃驚的是，並非所有原子都處於快速移動的狀態，其中一部分原子竟能保持靜止，如同被「釘」在支撐材料的特定位置上。
這些位置被稱為「點缺陷」，這種「強結合力」的金屬-碳鍵結，即使在高溫下也異常穩定。
他們進一步研究發現，這些靜止的金屬原子，在引導液體固化過程中，扮演至關重要的角色。團隊透過電子束在石墨烯上進行聚焦照射，發現可以人為製造更多這種缺陷，從而調節液態金屬中被「錨定」的原子數量。
他們觀察到，當靜止原子數量較少（少於10個）且分布隨機時，金屬晶體才能夠順利地從液體金屬中生長成核，並擴展成規則的晶體結構直至完全固化。相反的靜止原子較多，會在液態金屬邊緣形成一圈「原子圍欄」（atomic corral）並阻礙正常的結晶過程。
這些被圍住的液態鉑金屬，即使溫度降至200°C～300°C（遠低鉑的正常熔點1,768°C），也仍然可以保持液態。它最終不會轉變為規則的晶體，而是形成一種「非晶態固體」。這種非晶態金屬極不穩定，只有在靜止原子的持續限制下才能存在，一旦限制被打破，累積的應力就會釋放，並重新排列成晶體。
研究人員表示，過去奈米尺度的粒子束縛技術，僅應用於光子和電子上。這項成果首次證明，原子本身也可以用類似的方式束縛。未來可能透過精確控制表面的原子排列位置，製造出更大、更複雜的原子圍欄。這種精準控制有望提高對稀有金屬材料在能量轉換、能量儲存的應用效率。
領導研究團隊的諾丁漢大學教授安德烈‧赫洛比斯托夫（Andrei Khlobystov）對該校新聞室表示，「我們通常會想到物質有氣體、液體和固體三種狀態。這次研究成果，可能預示著一種新型物質的誕生，它巧妙的結合了固體與液體的特性。」
烏爾姆大學創建SALVE中心教授烏特‧凱澤（Ute Kaiser）表示，他們觀察到電子束中的「波粒二像性」。「我們利用電子的波動性來觀察物質，同時利用其粒子性傳遞脈衝能量。這些脈衝可以移動原子，甚至將原子固定在液態金屬的邊緣，創造出這種新穎的物質相。」
「電子波粒二像性」是指電子同時具有粒子性（有明確位置和動量）和波動性（能產生干涉和繞射現象）
諾丁漢大學催化專家傑蘇姆‧阿爾維斯‧費爾南德斯（Jesum Alves Fernandes）博士補充表示，「鉑碳催化劑是全球應用最廣泛的催化劑之一。這種受限液態金屬的現象，可能改變我們對催化劑工作原理的理解，並有望促進設計出活性更高、壽命更長的催化劑，因此具有相當重大的應用潛力。」
這項工作獲得德國研究基金會（DFG）EPSRC計劃資助（編號：EP/V000055/1）與英國皇家學會的財政支持。
責任編輯：葉紫微
沒有留言:
張貼留言