فلزاتِ کمیاب و گرانقیمت، از سلولهای سوختی گرفته تا فناوریهای ذخیرهسازی انرژی پاک، قلب بسیاری از ابزارهای پیشرفته امروز هستند. اما برای اینکه از هر اتمِ این مواد بیشترین بهره را ببریم، باید دقیقتر از همیشه بفهمیم هنگام ذوب شدن و دوباره جامد شدن چه اتفاقی در مقیاس اتمی میافتد. درست در همین مرز باریکِ «مایع» و «جامد»، پژوهشی تازه نشانههایی از رفتاری غیرمنتظره را آشکار کرده است؛ رفتاری که میتواند به چیزی شبیه یک «حالت جدید ماده» منجر شود.
چرا مایعات هنوز هم دانشمندان را غافلگیر میکنند؟
اغلب ما ماده را در سه حالت کلاسیک میشناسیم: گاز، مایع و جامد (و البته پلاسما برای علاقهمندان فیزیک فضایی). قوانین حاکم بر جامدات و گازها تا حد زیادی جاافتادهاند، اما مایعات—با اینکه روزمرهترین حالت ماده در زندگی ما هستند—هنوز هم پر از پیچیدگیاند. در مایع، اتمها و مولکولها معمولاً آزادانهتر حرکت میکنند و جای خود را مدام عوض میکنند؛ نه مثل جامد در شبکهای منظم قفل میشوند و نه مثل گاز کاملاً از هم دور میافتند.
همین «میانبودگی» باعث میشود وقتی یک فلز از حالت مذاب به جامد میرسد، مسیرهای متفاوتی برای شکلگیری ساختار نهایی پیش رویش باشد. اینکه جامد نهایی بلوری شود یا بیشکل (آمورف)، چقدر پایدار بماند، و چه عیوبی در آن شکل بگیرد، میتواند عملکرد یک آلیاژ یا کاتالیست را از ریشه تغییر دهد.
آزمایش با قطرههای فلزی نانومتری و میکروسکوپ الکترونی
در مطالعهای که در نشریه ACS Nano منتشر شده، پژوهشگرانی از دانشگاه ناتینگهام (بریتانیا) و دانشگاه اولم (آلمان) فرایند انجماد نانو-قطرههای فلزی را لحظهبهلحظه زیر نظر گرفتند. ابزار اصلی آنها میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بود؛ روشی که امکان دیدن جابهجایی اتمها را در مقیاس بسیار ریز فراهم میکند.
آنها نانوذراتی از فلزاتی مانند پلاتین، طلا و پالادیوم را روی یک تکیهگاهِ فوقنازک قرار دادند: گرافن، لایهای تکاتمی از کربن با استحکام بالا و رسانایی خوب. سپس با گرمکردن کنترلشده، این ذرات را ذوب کردند. انتظار میرفت با مایع شدن فلز، اتمها درون قطره مثل جمعیتی در حرکت دائم، آزادانه جابهجا شوند—و در بیشتر نقاط هم همینطور بود.
اما بهگفته یکی از نویسندگان، کریستوفر لایست از دانشگاه اولم، اتفاقی برخلاف انتظار رخ داد: بخشی از اتمها درون مایع تقریباً بیحرکت باقی ماندند. این ایستایی برای یک مایع فلزی عجیب است، چون در تعریف کلاسیک، مایع یعنی اتمها «قفل» نیستند.
«اتمهای ثابت» و تلهای که مایع را زیر نقطه انجماد نگه میدارد
گروه پژوهشی مشاهده کرد اتمهای ساکن به نواحی خاصی از تکیهگاه میچسبند؛ بهویژه اطراف نقصهای نقطهای (Point Defects) در گرافن. نقص نقطهای را میتوان مثل یک «جای خالی» یا بینظمی بسیار کوچک در شبکه اتمی تصور کرد که میتواند نقش قلاب یا لنگر را برای اتمهای فلزی بازی کند.
جالبتر اینکه پژوهشگران با استفاده از پرتو الکترونی تعداد این نقصها را افزایش دادند و عملاً توانستند تعداد اتمهای بیحرکت را کنترل کنند. چرا این موضوع مهم است؟ چون هنگام تبدیل مایع به جامد، تعداد و جایگاه اتمها تعیین میکند بلورها چگونه جوانه میزنند و شبکه بلوری چگونه رشد میکند. اگر «اتمهای ثابت» کم باشند، سیستم بالاخره مسیر معمولِ انجماد را طی میکند و جامد بلوری شکل میگیرد. اما اگر این اتمهای لنگرانداز زیاد شوند، میتوانند جلوی تشکیل شبکه منظم بلوری را بگیرند.
این اثر زمانی پررنگتر شد که پژوهشگران نوعی حلقه یا «حصار اتمی» از اتمهای ثابت پیرامون قطره مذاب ایجاد کردند و سپس دما را پایین آوردند. بهگفته آندری خلوبیستوف از دانشگاه ناتینگهام، وقتی مایع درون این حصار اتمی به دام میافتد، میتواند حتی در دماهایی بسیار پایینتر از نقطه انجمادش همچنان مایع بماند. برای پلاتین، این پایداریِ عجیب میتواند تا حدود ۳۵۰ درجه سانتیگراد هم رخ دهد—یعنی بیش از هزار درجه پایینتر از آنچه معمولاً برای انجماد پلاتین انتظار میرود.
این وضعیت، تصویری از مادهای ارائه میدهد که گویی همزمان ویژگیهایی از مایع (جریانپذیری و بینظمی) و جامد (وجود نقاط اتمی قفلشده) را در خود دارد؛ چیزی در مرز کلاسیک فازها که میتواند الهامبخش تعریف «حالت جدید ماده» در مقیاس نانو باشد.
جامدِ بیشکلِ ناپایدار: پایان غیرمنتظره یک مایعِ محبوس
با این حال، این مایعِ محبوس برای همیشه مایع نمیماند. نتایج نشان میدهد در نهایت ماده جامد میشود، اما نه به شکل یک بلور منظم. ابتدا ساختاری به نام جامد آمورف (Amorphous Solid) تشکیل میشود؛ جامدی بیشکل و نامنظم که از نظر ترمودینامیکی میتواند ناپایدار باشد. نکته کلیدی اینجاست: اگر حلقه اتمهای ثابت—همان حصار اتمی—بههم بخورد، این جامد آمورف میتواند به سمت یک بلور معمولی گذار کند و شبکه منظم بسازد.
برای علوم مواد، این یعنی یک اهرم کنترلی تازه: شاید بتوان با مهندسی نقصها و تثبیت تعدادی اتم، مسیر انجماد را بهدلخواه عوض کرد؛ از شکلگیری بلور جلوگیری کرد یا آن را به تأخیر انداخت، و در نهایت ریزساختاری ساخت که خواص مکانیکی یا شیمیایی متفاوتی دارد.
از انرژی پاک تا کاتالیستهای سلول سوختی؛ چرا این کشف مهم است؟
پیامدهای بالقوه این یافته فراتر از کنجکاوی علمی است. کنترل انجماد در فلزات و نانوذرات میتواند به بهینهسازی استفاده از فلزات کمیاب و گرانقیمت کمک کند؛ موادی که در فناوریهای تبدیل و ذخیره انرژی نقش کلیدی دارند. همچنین پژوهشگران اشاره کردهاند این پیشرفت میتواند به بهبود کاتالیستهای پلاتین روی کربن کمک کند—ترکیبی رایج در سلولهای سوختی که کارایی، پایداری و هزینه آنها تا حد زیادی به ریزساختار و توزیع اتمی وابسته است.
اگر بتوان حالت «مایعِ زیرِ نقطه انجماد» را در مقیاس نانو مهار و بازتولید کرد، شاید در آینده شاهد روشهای جدیدی برای ساخت کاتالیستهای بادوامتر، یا حتی طراحی مواد آمورف هدفمند با خواص ویژه (مثلاً مقاومت بیشتر در برابر خوردگی) باشیم. پرسشهای زیادی هنوز باز است: این پدیده در چه فلزات یا آلیاژهای دیگری رخ میدهد؟ مرزهای دمایی و زمانی آن چیست؟ و مهمتر از همه، چگونه میتوان آن را از آزمایشگاه به فناوری صنعتی رساند؟
فعلاً یک چیز روشن است: وقتی پای مایعات فلزی و جهان نانو در میان باشد، هنوز هم میتوان در بدیهیترین تعریفها—مثل اینکه «مایع یعنی اتمهای متحرک»—ترکهای تازهای پیدا کرد.