Wissenschaftler haben einen neuartigen Zustand der Materie entdeckt, der weder fest, flüssig noch gasförmig ist. Dieser neue Materialtyp wird als „eingeschränkt überhitzte Flüssigkeit“ bezeichnet.
In einer Flüssigkeit bewegen sich die Atome normalerweise wie Menschen in einer überfüllten Menge, indem sie ständig in Bewegung sind und sich gegenseitig anstoßen. Doch die Forscher fanden einen Weg, einige dieser Atome zu immobilisieren, indem sie eine stationäre „Barriere“ schufen, die die beweglichen Atome der Flüssigkeit im Inneren festhält. Wenn die Flüssigkeit in einem solch geschlossenen Ring gefangen ist, verhält sie sich anders als jede bekannte Form von Materie.
Die eingeschlossenen Atome können in einem flüssigen Zustand verharren, selbst wenn sie auf Temperaturen weit unter ihrem normalen Gefrierpunkt abgekühlt werden. Zum Beispiel kann Platin bei Temperaturen bis zu 350 Grad Celsius flüssig bleiben, was über 1.000 Grad unter dem normalen Gefrierpunkt liegt. Professor Andrei Klobistov von der Universität Nottingham, einer der Co-Autoren der Studie, erläutert, dass dieser Durchbruch auf eine neue Form von Materie hinweisen könnte, die Eigenschaften von Feststoffen und Flüssigkeiten in einem einzigen Material vereint.
Mit Ausnahme von Plasma (ionisiertes Gas) werden alle natürlichen Zustände der Materie durch die Bewegung der Moleküle und Atome innerhalb eines Materials bestimmt. Wenn sich eine Substanz von flüssig zu fest wandelt, gehen die Atome von freier Bewegung zu einer dichten und geordneten Struktur über. Dieser Übergangsmoment ist von großer Bedeutung für industrielle Anwendungen wie die Metallproduktion und pharmazeutische Produkte, da er die Art und Weise bestimmt, wie Kristalle im endgültigen Feststoff gebildet werden. Allerdings ist es für Wissenschaftler schwierig, genau zu verstehen, was in diesem Moment geschieht, da sich die Atome in einer Flüssigkeit sehr schnell bewegen.
Die Entdeckung
Um mehr zu erfahren, verwendeten die Forscher ein Rasterelektronenmikroskop, um zu beobachten, wie sich einzelne Atome in mikroskopischen Proben geschmolzenen Metalls verhalten. Dr. Christopher Leist von der Universität Ulm, der die Experimente durchführte, erklärt, dass sie zunächst metallische Nanopartikel wie Platin, Gold und Palladium auf einem äußerst dünnen Graphen-Substrat schmolzen. Graphen diente als eine Art Heizquelle für die Teilchen. Während sie schmolzen, begannen sich die Atome erwartungsgemäß schnell zu bewegen. Überraschenderweise stellten die Forscher jedoch fest, dass einige Atome stationär blieben.
Die Wissenschaftler entdeckten, dass beim Schmelzen von Nanopartikeln wie Platin und Gold einige einzelne Atome anscheinend „kleben“ blieben und sich nicht bewegten. Mithilfe gezielter Elektronenbindungsprozesse gelang es den Forschern, noch mehr Atome an ihrem Platz zu immobilisieren. Letztendlich schufen sie einen vollständigen Ring aus bewegungslosen Atomen, der einen Tropfen geschmolzenen Metalls umgab.
Bald wurde klar, dass diese Atome in atomaren „Fehlern“ der Oberfläche des Graphens gefangen waren. Diese immobilen Atome hatten einen entscheidenden Einfluss auf den Erstarrungsprozess. Wenn nur wenige bewegungslose Atome vorhanden waren, bildeten sich Kristalle in der Flüssigkeit und wuchsen, bis der gesamte Partikel erstarrte. Wenn jedoch die Anzahl der stationären Atome groß war, wurden keine Kristalle gebildet und die Flüssigkeit konnte sich nicht in einen Festkörper verwandeln.
Dies ermöglichte es den Forschern, eingeschränkte überhitzte Flüssigkeiten innerhalb von Ringen stationärer Atome zu erzeugen und einen völlig neuen Zustand der Materie zu offenbaren. In ihrer Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift ACS Nano, stellten sie fest, dass diese Flüssigkeiten weiterhin wie Flüssigkeiten bewegten, selbst wenn sie Hunderte von Grad unter ihrem Gefrierpunkt lagen.
Wenn sie schließlich erstarren, bilden sie extrem instabile amorphe Festkörper anstelle der üblichen kristallinen Strukturen. Strukturell betrachtet macht dies sie näher an Glas als an einem normalen Metallstück.
Zukünftige Perspektiven
In Zukunft hoffen die Forscher, dass neue Formen atomarer „Barrieren“ neue Möglichkeiten zur Nutzung seltener Metalle in der Industrie eröffnen werden. Platin ist beispielsweise eines der wichtigsten Metalle für industrielle Katalysatoren, die chemische Reaktionen weltweit beschleunigen. Die Forscher glauben, dass die Möglichkeit, dieses Metall in einen neuen Zustand der Materie zu transformieren, unser Verständnis darüber, wie Katalysatoren funktionieren, erheblich verändern könnte. Dr. Jesus Alves Fernandes von der Universität Nottingham weist darauf hin, dass diese Entwicklung zur Gestaltung selbstreinigender Katalysatoren mit verbesserter Effizienz und längerer Lebensdauer führen könnte.
