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Verblüffende Entdeckung: Ein neuer Materiezustand zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern identifiziert
Jüngsten Forschungsergebnissen zufolge könnte an der Grenze zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern ein bisher unbekannter, neuer Zustand der Materie existieren, in dem bestimmte Atome sogar in flüssigen Metallen unbeweglich bleiben. Diese Entdeckung könnte unser Verständnis der Erstarrung und der technischen Anwendungen von Metallen grundlegend verändern.
Mit den Fortschritten in der Technologie wird das Verständnis des Verhaltens von Materialien unter extremen Bedingungen immer wichtiger. Der Übergang verschiedener Metalle von flüssig zu fest ist ein besonders wichtiger Prozess, da er sowohl die endgültige Materialstruktur als auch die Eigenschaften bestimmt. Eine neue Studie zeigt, dass in diesem Übergangsbereich ein neuer Zustand der Materie entstehen kann, der weder vollständig flüssig noch herkömmlich fest ist.
Ein neuer Zustand der Materie auf atomarer Ebene
Forscher der University of Nottingham in Großbritannien und der Universität Ulm in Deutschland haben untersucht, was mit Metallen kurz vor der Erstarrung passiert und ihre Ergebnisse in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht.
In ihren Experimenten wurden Nanopartikel aus Platin, Gold und Palladium geschmolzen und dann auf eine dünne Graphenschicht gelegt, die sowohl als Träger als auch als Heizfläche diente. Mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie wurden die geschmolzenen Metall-Nanotröpfchen untersucht, während sie allmählich abkühlten.
Als die Metalle schmolzen, begannen sich die meisten Atome erwartungsgemäß schnell zu bewegen – genau so, wie man es von einer Flüssigkeit erwarten würde, da sich die Bindung der Teilchen bei Übergängen des Aggregatzustands ändert.
Die Forscher beobachteten jedoch ein überraschendes Phänomen: Einige Atome in dem flüssigen Metall bewegten sich nicht, sondern blieben unabhängig von der Temperatur stationär und begannen, sich an einen Punktdefekt im Graphen-Träger zu heften. Dieses Verhalten unterscheidet sich völlig von dem, was wir bisher über das Verhalten von Flüssigkeiten auf atomarer Ebene wussten.
Bildung eines “atomaren Korral”
Laut Popular Mechanics war ein Schlüsselaspekt der Forschung, dass die Wissenschaftler die Anzahl der stationären Atome kontrollieren konnten. Durch den Einsatz eines Elektronenstrahls erhöhten sie die Anzahl der Defekte im Graphen, so dass sich mehr stationäre Atome und Moleküle in dem flüssigen Metall bilden konnten. Die Teilchen blieben nicht nur isoliert, sondern konnten ringartige Strukturen – einen “atomaren Korral” – um die Flüssigkeit herum bilden, was sich als entscheidend für die Verfestigung erwies.
Wenn nur wenige stationäre Atome vorhanden waren, kristallisierte das flüssige Metall schließlich zu einem Feststoff. Wenn jedoch viele solcher Atome die Flüssigkeit umgaben, konnte die Kristallisation vollständig verhindert werden, und das Metall blieb weit unter seinem normalen Gefrierpunkt flüssig.
Im Falle der Platin-Nanopartikel beobachteten die Forscher, dass die Flüssigkeit ihren flüssigen Zustand sogar bei 350°C beibehalten konnte, über 1000 Grad unter ihrem normalen Gefrierpunkt. Da dieser Zustand weder als herkömmliche Flüssigkeit noch als klassischer Feststoff beschrieben werden kann, bezeichnen die Autoren ihn als neuen Zustand der Materie.
Bedeutung der Entdeckung
Interessanterweise ist dieser neue Zustand der Materie nicht dauerhaft. Im Laufe der Zeit verfestigt sich die Flüssigkeit zwar, aber nicht zu einer regelmäßigen kristallinen Struktur, sondern zu einer instabilen, amorphen Form. Sobald der “atomare Korral” gestört wird oder zusammenbricht, verwandelt sich die Struktur fast sofort in einen herkömmlichen Kristall.
Die Forscher vermuten, dass die praktischen Auswirkungen dieser Entdeckung enorm sein könnten. Ein besseres Verständnis dieses neuen Materiezustands könnte zu einer effizienteren Nutzung von Seltenerdmetallen bei der Energieumwandlung und -speicherung beitragen und die Leistung von Platinmaterialien auf Kohlenstoffbasis verbessern.