Ученые уже достаточно давно проводят исследования, направленные на то, чтобы выяснить, что же именно происходит, когда различные материалы испаряются, плавятся и кристаллизуются, другими словами, переходят из одного состояния материи в другое. И недавно, знания о происходящих во время фазовых переходов процессах были значительно дополнены, благодаря экспериментам ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которым удалось запечатлеть превращения материала и движения атомов в трехмерном пространстве и во времени, в так называемом 4D-формате. Полученные результаты оказались удивительными, и они входят в противоречие с существующими теориями об образовании гранул в моменты фазовых переходов. А в будущем подобные знания можно будет использовать для создания новых материалов, химических соединений и биологических процессов.
В исследованиях ученые использовали один из самых современных трехмерных электронных микроскопов, находящийся в Национальной лаборатории в Беркли. При помощи этого микроскопа ученые наблюдали за поведением атомов сплава железа и платины, из которого были изготовлены наночастицы, размером в 1/10000 от толщины человеческого волоса. Эти частицы постепенно нагревались до температуры выше 500 градусов Цельсия, что вызывало фазовый переход этого материала из одного твердого состояния в другое. Трехмерные изображения атомов материала делались при помощи электронного микроскопа через 9, 16 и 26 минут после начала процесса нагревания. При этом, исследуемые образцы вращались в камере микроскопа, что позволило «посмотреть» на атомы с разных сторон.
При помощи специализированных алгоритмов ученые отслеживали движение и поведение 33 гранул, ширина каждой из которых была равна ширине 13 атомов. И все отслеживаемые гранулы находились в пределах одной единственной наночастицы. «Люди считают, что чрезвычайно сложно искать иголку в стоге сена» — рассказывает профессор Джанвей Миао (Jianwei Miao), — «Однако, еще сложнее найти одни и те же атомы среди более чем триллиона атомов, при этом три раза через некоторые промежутки времени».
Как ожидалось, структура с повышением температуры сплава изменилась от хаотичного состояния до состояния, при котором атомы железа и платины частично упорядочились друг относительно друга и начали взаимодействовать между собой. Однако, было замечено, что в материале начинали формироваться гранулы неправильной формы, в то время, как согласно существующим теориям, эти гранулы должны быть идеально круглыми. «Утешительным призом» для существующих теорий стало то, что формирующиеся гранулы не имели острых граней, а на границах гранул атомы находились в «смешанном» переходном состоянии, т.е. состояние одних атомов соответствовало старой фазе материала, а других — новой.
Все это может не показаться захватывающим для непосвященного человека, однако, все это является первым разом в истории науки, когда ученым удалось увидеть процессы образования гранул во время изменений фазового состояния материалов. «Образование гранул является еще не до конца решенной проблемой, которая важна для многих областей науки и техники» — рассказывает Питер Эркиус (Peter Ercius), — «Сейчас нам удалось получить снимки всего этого, а дальше мы попытаемся управлять этими процессами, что позволит создать более прочные материалы и совершенно новые химические соединения».
Движение, Материал, Атом, Температура, Железо, Платина, Наночастица, Гранула, Электронный, Микроскоп
