Атомарная пипетка раскрыла танец фасеток-призраков

Чтобы заглянуть в гости к атомам, учёные строят всё более и более невероятные машины: то микроскопы самых экзотических систем, то многокилометровые ускорители, то мощнейшие лазеры... А недавно, для серии интересных опытов с веществом, американские физики создали самую маленькую и точную в мире пипетку — она несёт в себе капельку объёмом всего в несколько зептолитров (то есть 10^-21 литра).

Столь удивительное достижение обнародовано на днях центром функциональных наноматериалов Национальной лаборатории Брукхэвен (Center for Functional Nanomaterials).

Предыдущие рекордные микропипетки были способны дозировать жидкость порциями по аттолитру (10^-18 литра), так что новое устройство изменило масштаб экспериментов ещё на три порядка. Но рекорд этот важен для учёных не сам по себе. Благодаря необычной пипетке удалось провести ряд уникальных опытов.

Ведущий автор работы, Эли Саттер (Eli Sutter), говорит, что опыты её группы «улучшат наше понимание процессов кристаллизации во многих областях природы и технологий».

Дело в том, что невероятно крошечные капельки жидкого металла кристаллизуются совсем иначе, чем их большие собратья. Как происходит изменение фазы при охлаждении жидкого металла? Кажется, мы давно знаем ответ на этот вопрос. Но не всё так просто.

Скажем, не вполне понятно, что происходит в микроскопической сверхчистой капле? Там нет «привычных» центров кристаллизации — каких-либо примесей. И начало смены фазы происходит иначе, чем в расплаве большего объёма.

В течение последних десятилетий физики считали, что в таких условиях кристаллизация начинается с появления где-то во внутренности капли «случайного» твёрдого ядра, возникающего словно наугад. От него, мол, изнутри — наружу, и распространяется кристаллизация.

Опыты Эли Саттер и её коллег бросили вызов этой распространённой теории. Физики изучали поведение при смене фазы зептолитровой капли расплава золота и германия.

Для этого они создали пипетку из заострённого нанопровода германия с резервуаром на конце. Поместив в него толику исследуемого материала, авторы опыта покрывали всё тончайшим слоем атомов углерода (вернее, несколькими слоями графена). А затем, после нагрева системы, проделывали в углеродной скорлупке крошечное отверстие, через которое расплав и выходил наружу.

Такая капля, висящая на кончике пипетки (авторы опыта называют её подвеску «почти свободной»), помещалась под луч мощного электронного микроскопа, так, что исследователи могли рассматривать её поведение с разрешением, близким к атомарному.

Экспериментаторы сначала держали расплав золота и германия при температуре 425 градусов Цельсия, а затем его постепенно охлаждали.

И вот при температуре 305 градусов физики увидели поразительное явление: на поверхности капли стали возникать утончённые, почти эфемерные фасеточные структуры. Круглая капля приобретала многочисленные плоские грани. Причём эти плоские структуры, однажды возникнув, тут же распадались, чтобы тут же появиться вновь.

Таким образом, на поверхности наблюдался непрерывный «танец» фасеток. Он мог продолжаться часами — пока температура поддерживалась на уровне 305 градусов. Но как только температура хоть чуть-чуть падала — танец мгновенно останавливался, и капля приобретала ту форму, в которой её застало «мерцание» фасеточных граней.

«Наши эксперименты показали, что подобные твёрдому телу свойства материала сначала развиваются в тонкой «коже» на поверхности, в то время как интерьер капли остаётся жидким», — поясняет Саттер.

Это наблюдение противоречит прежним представлениям и показывает, насколько поведение кусочка (капли) вещества может изменяться в зависимости от масштаба этого самого кусочка. О чём авторы эксперимента и поведали в Nature Materials.

А путь, каким происходит кристаллизация в малых крупицах вещества, может влиять на многие факторы уже в макромасштабе. Например, от этого может зависеть баланс между твёрдой и жидкой фазой воды в верхних слоях атмосферы, а значит — и её, атмосферы, поведение.

Точно так же лучшее понимание процесса фазового перехода в невероятно микроскопических каплях расплавов может пригодиться учёным и инженерам при создании новых микросхем или наномеханизмов.