Forskare har observerat atomer som förblir orörliga i flytande metaller vid höga temperaturer, vilket påverkar hur material stelnar. Med avancerad mikroskopi fångade forskare från University of Nottingham och University of Ulm detta fenomen i smälta metallnanopartiklar. Upptäckten avslöjar ett nytt hybridtillstånd av materia med potentiella implikationer för katalys och materialteknik.
I en studie publicerad den 9 december 2025 i ACS Nano använde forskare transmisions-elektronmikroskopi för att observera stelning av smälta metallnano-droppar, såsom de gjorda av platina, guld och palladium. Experimenten innebar uppvärmning av nanopartiklar deponerade på grafen, som fungerade som ett tunt stöd för att underlätta smältning. Överraskande nog rörde sig de flesta atomer snabbt, medan vissa förblev fixerade på plats, förankrade vid punktdefekter i grafenen även vid extrema temperaturer.
Professor Andrei Khlobystov vid University of Nottingham, som ledde teamet, förklarade: «När vi tänker på materia tänker vi vanligtvis på tre tillstånd: gas, vätska och fast. Medan atomernas beteende i gaser och fasta ämnen är lättare att förstå och beskriva, förblir vätskor mer mystiska.» Dr. Christopher Leist, som utförde mikroskopin vid Ulms SALVE-instrument, noterade att fokusering av elektronstrålen skapade ytterligare defekter, vilket möjliggjorde kontroll över antalet stationära atomer.
Dessa fastsittande atomer stör kristalltillväxten under stelning. När få finns närvarande bildas kristaller normalt. Dock kan en hög densitet av stationära atomer bilda ringar och skapa «atomkorraler» som fångar vätskan i ett superkyld tillstånd. För platina kvarstår denna korraliserade vätska vid temperaturer så låga som 350 grader Celsius – över 1 000 grader under dess typiska frysningspunkt – innan ett instabilt amorft fast ämne bildas.
Professor Ute Kaiser belyste elektronernas dubbla natur i observationerna: «Våra experiment har överraskat oss då vi direkt observerar våg-partikel-dualiteten hos elektroner i elektronstrålen.» Detta markerar den första korraliseringen av atomer, som tidigare endast setts med fotoner och elektroner.
Dr. Jesum Alves Fernandes betonade tillämpningar: «Upptäckten av ett nytt hybridtillstånd för metall är betydelsefull. Eftersom platinapå-kol är en av de mest använda katalysatorerna globalt kan ett instängt vätsketillstånd med icke-klassiskt fasbeteende förändra vår förståelse av hur katalysatorer fungerar.»
Finansierat av EPSRC:s Metal Atoms on Surfaces and Interfaces (MASI)-program indikerar arbetet potential för att utforma effektiva katalysatorer och nya material som kombinerar vätske- och fastfas-egenskaper.
