Когда лёд тает и превращается в воду, это происходит быстро, переход из твёрдого состояния в жидкое происходит мгновенно. Однако очень тонкие материалы не подчиняются этим правилам. Вместо этого возникает необычное состояние между твёрдым и жидким: гексатическая фаза. Исследователям из Венского университета удалось непосредственно наблюдать эту экзотическую фазу в атомарно тонком кристалле.

Используя современную электронную микроскопию и нейронные сети, они засняли плавление кристалла йодида серебра, защищённого графеном. Сверхтонкие двумерные материалы позволили исследователям непосредственно наблюдать процессы плавления на атомном уровне. Новые результаты значительно расширяют понимание этих фазовых переходов. Удивительно, но наблюдения противоречат предыдущим прогнозам, что и было опубликовано в журнале Science .

Резкий переход при таянии льда типичен для плавления всех трёхмерных материалов, от металлов и минералов до замороженных напитков. Однако, когда материал становится настолько тонким, что становится практически двумерным, законы плавления радикально меняются. Между твёрдой и жидкой фазами может возникнуть новая, экзотическая промежуточная фаза вещества, известная как «гексатическая фаза».

Эта гексатическая фаза, впервые предсказанная в 1970-х годах, представляет собой необычное гибридное состояние. Материал ведёт себя как жидкость, в которой расстояния между частицами нерегулярны, но в определённой степени и как твёрдое тело, поскольку углы между частицами остаются относительно упорядоченными.

Поскольку эта фаза наблюдалась только в гораздо более крупных модельных системах, таких как плотно упакованные полистирольные шарики, оставалось неясным, может ли она также наблюдаться в обычных ковалентно связанных материалах. Международная исследовательская группа под руководством Венского университета успешно доказала именно это.

Учёным впервые удалось наблюдать этот процесс в атомарно тонких кристаллах иодида серебра (AgI), тем самым разгадав давнюю загадку. Их открытия не только подтверждают существование этого трудноуловимого состояния в материалах с прочными связями, но и открывают новые удивительные возможности для понимания природы плавления в двух измерениях.

Плавление атомов в защитном «графеновом сэндвиче»

Чтобы добиться этого прорыва, исследователи разработали интересный метод изучения процесса плавления хрупких, атомарно тонких кристаллов. Они поместили один слой иодида серебра между двумя листами графена, создав защитный «сэндвич», который предотвращал сворачивание хрупкого кристалла, позволяя ему свободно плавиться. Используя современный сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (СТЭМ), оснащенный нагревательным держателем, исследователи постепенно нагревали образец до температуры более 1100 °C, снимая процесс плавления в реальном времени на атомном уровне.

«Без использования инструментов искусственного интеллекта , таких как нейронные сети, было бы невозможно отслеживать все эти отдельные атомы», — объясняет Киммо Мустонен из Венского университета, старший автор исследования. Команда обучила сеть на огромных объёмах смоделированных наборов данных, прежде чем обработать тысячи изображений высокого разрешения, полученных в ходе эксперимента.

Их анализ привёл к замечательному результату: в узком температурном диапазоне — примерно на 25 °C ниже точки плавления AgI — наблюдалась чёткая гексатическая фаза. Дополнительные измерения методом электронной дифракции подтвердили это открытие и предоставили убедительные доказательства существования этого промежуточного состояния в атомарно тонких, прочно связанных материалах.

Новая глава в физике плавления

Исследование также выявило неожиданный поворот. Согласно предыдущим теориям, переходы из твёрдого состояния в гексатическое и из гексатического в жидкое должны быть непрерывными. Однако исследователи заметили, что, хотя переход из твёрдого состояния в гексатическое действительно был непрерывным, переход из гексатического состояния в жидкое был резким, подобно таянию льда в воду.

«Это говорит о том, что плавление в ковалентных двумерных кристаллах гораздо сложнее, чем считалось ранее», — говорит Дэвид Лампрехт из Венского университета и Венского технического университета (TU Wien), один из основных авторов исследования наряду с Туй Ан Буй, также из Венского университета.

Это открытие не только бросает вызов давним теоретическим прогнозам, но и открывает новые перспективы в изучении материалов на атомном уровне. «Киммо и его коллеги в очередной раз продемонстрировали, насколько эффективной может быть микроскопия с атомным разрешением», — говорит Яни Котакоски, руководитель исследовательской группы Венского университета.

Результаты исследования не только углубляют наше понимание плавления в двух измерениях, но и подчеркивают потенциал передовой микроскопии и искусственного интеллекта в исследовании передовых областей материаловедения.