Исследователи из Брауновского университета и Мичиганского университета смогли получить состояние материи, которое раньше существовало только в теоретических моделях.
Для этого они особым образом расположили крошечные частицы серебра и собрали из них специально созданные структуры. В результате учёным удалось создать и стабилизировать промежуточное состояние, которое появляется во время перехода между двумя распространёнными кристаллическими структурами металлов.
Работа опубликована в журнале Science. Помимо того что она помогает лучше понять, как происходят такие превращения в материалах, новый материал показал необычное оптическое поведение. В будущем это может быть полезно для квантовых компьютеров и других технологий квантовой информации.
В более широком смысле исследование показывает новый способ создавать материалы “снизу вверх”: не просто брать готовое вещество, а собирать его из специально спроектированных наночастиц с нужными свойствами.
Один из авторов работы, профессор химии Брауновского университета Оу Чен, сравнил этот процесс с игрой в LEGO. Учёные создают уникальные строительные блоки на наноуровне, а затем складывают их в необычные структуры.
Как учёные поймали недостающее звено
Многие металлы естественным образом выстраивают свои атомы в одну из двух кристаллических структур. Они называются FCC и BCC.
В структуре FCC частицы упакованы максимально плотно: они находятся в углах куба и в центре каждой его грани. В структуре BCC упаковка чуть менее плотная: частицы находятся в углах куба, а ещё одна — в самом центре куба.
Некоторые металлы могут переключаться между этими структурами при нагревании. Например, железо переходит из структуры BCC в FCC при температуре 912 градусов Цельсия.
Но сам момент такого перехода долго было трудно изучить. Учёные предполагали, что между двумя состояниями возникают короткоживущие промежуточные структуры. Один из ведущих вариантов объяснения называется путём Нисиямы — Вассермана.
Проблема в том, что эти промежуточные фазы крайне нестабильны. Поэтому напрямую наблюдать их было очень сложно.
Новое исследование смогло воссоздать и стабилизировать такие “мимолётные” структурные состояния с помощью серебряных наночастиц.
По словам соавтора работы Тима Мура из Мичиганского университета, материаловеды давно хотят лучше контролировать соотношение FCC и BCC в металлах. Но переходы между этими фазами трудно изучать именно из-за их нестабильности. Возможность наблюдать такие структуры он назвал фундаментальным прорывом в материаловедении.
Материал собрали из наночастиц особой формы
Чтобы получить новые структуры, исследователи синтезировали серебряные наночастицы в форме усечённых октаэдров. Они называют их “меконами”.
Такие частицы похожи на алмазоподобную форму со срезанными углами. В итоге получается геометрия с 14 гранями.
По словам Чена, эта форма особенно полезна, потому что она находится как бы между сферой и кубом. А эти две формы естественным образом упаковываются по-разному.
Команда под руководством старшего научного сотрудника и ведущего автора исследования Ясутаки Нагаоки меняла условия нагрева во время синтеза. Так учёные получали частицы с разной степенью округлости и кубических черт.
Затем частицы покрывали длинными молекулярными цепочками. Они работали как липкие соединители и помогали наночастицам собираться в более крупные упорядоченные структуры — суперрешётки.
Лабораторные наблюдения объединили с подробным компьютерным моделированием, которое провела группа Шэрон Глотцер из Мичиганского университета. Так исследователи выяснили, что именно молекулярные покрытия играли ключевую роль в стабилизации структур, похожих на промежуточные состояния, предсказанные путём Нисиямы — Вассермана.
Мур описал эти частицы как “волосатые”: гибкие молекулярные “волоски” дают им больше свободы для сдвига, но при этом позволяют хорошо сцепляться друг с другом.
Квантовые эффекты при комнатной температуре
Когда новые серебряные суперрешётки осветили, они показали ещё одно необычное свойство.
Исследователи заметили признаки глубокого сильного взаимодействия света и материи. Это явление, при котором электроны внутри серебряных наночастиц колеблются в полной синхронизации со световыми волнами и становятся квантово-механически запутанными.
Обычно такие квантово-оптические эффекты связывают с крайне низкими температурами. Но новый материал, судя по результатам, демонстрирует такое поведение при комнатной температуре.
Это может стать основой для разработки будущих материалов для квантовых вычислений, сенсорных технологий и других продвинутых квантовых систем.
Как отметил Чен, каждый раз, когда удаётся обнаружить новую фазу материи, за этим начинают появляться новые возможные применения.
