Heksaattinen faasi

Kun jää sulaa vedeksi, se tapahtuu nopeasti, ja siirtymä kiinteästä nesteeksi on välitön. Hyvin ohuet materiaalit eivät kuitenkaan noudata näitä sääntöjä.

Sen sijaan syntyy epätavallinen tila kiinteän ja nesteen välillä: heksaattinen faasi. Wienin yliopiston tutkijat ovat nyt onnistuneet tarkkailemaan tätä eksoottista faasia suoraan atomaarisen ohuessa kiteessä.

Yllättäen havainnot ovat ristiriidassa aiempien ennusteiden kanssa.

Jo 1970-luvulla ennustettu heksaattinen faasi on outo hybriditila. Materiaali käyttäytyy kuin neste, jossa hiukkasten väliset etäisyydet ovat epäsäännölliset, mutta tietyssä määrin myös kuin kiinteä aine, koska hiukkasten väliset kulmat pysyvät suhteellisen hyvin järjestäytyneinä.

Tätä faasia on havaittu vain paljon suuremmissa mallijärjestelmissä, ja on ollut edelleen epäselvää, voisiko sitä esiintyä myös kovalenttisesti sitoutuneissa materiaaleissa.

Wienin yliopiston johtama kansainvälinen tutkimusryhmä on nyt onnistunut todistamaan tämän: tutkijat pystyivät ensimmäistä kertaa havaitsemaan tämän prosessin atomitason ohuissa hopeajodidin (AgI) kiteissä ja ratkaisemaan siten vuosikymmeniä vanhan mysteerin.

Heidän löydöksensä eivät ainoastaan vahvista tämän vaikeasti saavutettavan tilan olemassaoloa vahvasti sidoksellisissa materiaaleissa, vaan tarjoaa myös yllättäviä uusia näkemyksiä sulamisen luonteesta kahdessa ulottuvuudessa.

Asian tutkimiseksi he kapseloivat yhden hopeajodidikerroksen kahden grafeenilevyn väliin, jossa se saattoi sulaa vapaasti. Tiimi lämmitti näytteen vähitellen yli 1100 °C:een ja kuvasi sulamisprosessia reaaliajassa atomien tasolla pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (STEM).

”Ilman tekoälytyökalujen, kuten neuroverkkojen, käyttöä kaikkien näiden yksittäisten atomien seuraaminen olisi ollut mahdotonta”, selittää tutkimuksen vanhempi kirjoittaja, Wienin yliopiston Kimmo Mustonen. Tiimi koulutti verkkoa valtavilla määrillä simuloituja datajoukkoja ennen kuin se käsitteli kokeessa tuotetut tuhannet korkearesoluutioiset kuvat.

Tutkimus paljasti myös odottamattoman käänteen. Aiempien teorioiden mukaan siirtymien kiinteästä olomuodosta heksaattiseen ja heksaattisesta nestemäiseen olomuotoon tulisi olla jatkuvia. Tutkijat kuitenkin havaitsivat, että vaikka siirtymä kiinteästä olomuodosta heksaattiseen olikin jatkuvaa, siirtymä heksaattisesta nestemäiseen olomuotoon oli äkillinen, samanlainen kuin jään sulaminen vedeksi. "Tämä viittaa siihen, että sulaminen kovalenttisissa kaksiulotteisissa kiteissä on paljon monimutkaisempaa kuin aiemmin on ajateltu", sanoo David Lamprecht, yksi tutkimuksen pääkirjoittajista yhdessä Thuy An Buin kanssa.

Aiheesta aiemmin:

Transistori muokkaa 2D-materiaalin elektronisia ominaisuuksia

Metastabiilia tilaa metsästäen

Uutta tekniikkaa 2D-materiaalin venytyksellä