在自然界中，物質(zhì)通常以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種形態(tài)存在。固態(tài)因原子排列有序而堅(jiān)硬，液態(tài)則因原子自由運(yùn)動(dòng)而流動(dòng)。然而，一項(xiàng)發(fā)表于《ACS Nano》的Zui新研究打破了這一傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了一種介于固態(tài)與液態(tài)之間的全新物質(zhì)狀態(tài)。

來(lái)自英國(guó)諾丁漢大學(xué)等機(jī)構(gòu)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在納米尺度的液態(tài)金屬液滴內(nèi)部，固液界限并非清晰。部分原子在金屬熔化后依然保持靜止，這種現(xiàn)象完全顛覆了傳統(tǒng)流體力學(xué)定律，令科學(xué)界大為震驚。

研究負(fù)責(zé)人安德烈·赫洛比斯托夫教授指出，液態(tài)金屬中的原子運(yùn)動(dòng)本應(yīng)如人群般雜亂無(wú)章、高速穿梭。但在使用先進(jìn)電子顯微鏡觀測(cè)時(shí)，他們意外發(fā)現(xiàn)，即便在高達(dá)800攝氏度的高溫下，仍有部分原子紋絲不動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)表明，液態(tài)內(nèi)部隱藏著一種非預(yù)期的“靜止”狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)將僅幾納米寬的金屬微粒置于石墨烯薄片上，利用具備原子級(jí)成像能力的電子顯微鏡，逐步加熱金屬顆粒。石墨烯作為一種由單層碳原子構(gòu)成的蜂窩狀晶體，其表面并非完美平滑，而是存在天然的微觀缺陷或“空位”。

當(dāng)金屬熔化時(shí)，大部分原子如霧氣般快速運(yùn)動(dòng)，但圖像中卻清晰顯示有亮點(diǎn)固定不動(dòng)。研究揭示，正是石墨烯表面的這些微觀缺陷充當(dāng)了“原子陷阱”，將特定金屬原子牢牢吸附在碳原子網(wǎng)絡(luò)的邊緣，使其成為液態(tài)結(jié)構(gòu)中的固定骨架。

科學(xué)家并未止步于觀察，更實(shí)現(xiàn)了了對(duì)這一現(xiàn)象的主動(dòng)控制。通過(guò)調(diào)節(jié)電子束在石墨烯上制造特定數(shù)量的缺陷，團(tuán)隊(duì)能夠控制被固定的原子數(shù)量。當(dāng)這些固定原子在液滴邊緣形成環(huán)狀“柵欄”時(shí)，液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程被顯著抑制。

通常情況下，液態(tài)金屬冷卻后會(huì)自然結(jié)晶。但在固定原子形成密集圍欄的情況下，金屬液滴可被冷卻至遠(yuǎn)低于其正常凝固點(diǎn)的溫度而依然保持液態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為“超冷液體”。這為材料科學(xué)提供了一種全新的調(diào)控手段。

不同金屬對(duì)這一機(jī)制的反應(yīng)各異。鉑與石墨烯結(jié)合緊密，效果；鈀則因反應(yīng)過(guò)快難以觀測(cè)；金與石墨烯結(jié)合較弱，固定原子較少。這種差異為未來(lái)定制化材料設(shè)計(jì)提供了豐富的選擇空間。

該發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)物質(zhì)微觀行為的理解，更為開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度、耐高溫的新型材料奠定了基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)正致力于利用此技術(shù)推動(dòng)可持續(xù)制造，特別是在氨合成等關(guān)鍵化工過(guò)程中，通過(guò)原子級(jí)調(diào)控金屬行為，有望大幅降低碳排放，助力全球綠色轉(zhuǎn)型。

對(duì)于中國(guó)材料行業(yè)而言，這一突破提示我們：在納米材料界面工程與原子級(jí)制造領(lǐng)域，通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)基底缺陷來(lái)調(diào)控液態(tài)金屬行為，可能成為下一代高性能合金與綠色化工催化劑研發(fā)的關(guān)鍵突破口，值得國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界高度關(guān)注并提前布局。