Scoperto un nuovo stato aggregato ibrido: il materiale può essere solido e liquido allo stesso tempo
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Solido, liquido e gassoso: queste sono le principali forme di materia conosciute. Gli scienziati dell'Università di Ulm e dell'Università di Nottingham hanno ora dimostrato uno stato della materia completamente nuovo, in cui la materia ha proprietà sia solide che liquide. I liquidi confinati da atomi stazionari rimangono liquidi anche molto al di sotto del loro punto di congelamento. La scoperta potrebbe portare a catalizzatori più efficienti e sostenibili.
Quando il metallo si scioglie, gli atomi al suo interno si muovono liberamente come individui in una folla. Tuttavia, un gruppo di ricerca tedesco-britannico che coinvolge l'Università di Ulm ha fatto una scoperta sorprendente: Nel metallo liquido, alcuni atomi rimangono saldamente in posizione e influenzano così il processo di solidificazione. Di conseguenza, nello stesso materiale si possono trovare combinate caratteristiche di solidi e liquidi. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista specializzata ACS Nano.
"Utilizzando il nostro microscopio a bassa tensione SALVE, unico nel suo genere, siamo stati in grado di osservare per la prima volta il comportamento delle gocce di metallo fuso a livello atomico", spiega il dottor Christopher Leist. Il primo autore ha condotto gli esperimenti a Ulm utilizzando il microscopio elettronico SALVE. "Abbiamo riscaldato nanoparticelle di metallo come platino, oro e palladio, che sono state depositate su un supporto atomicamente sottile, il grafene". Quando le particelle si sono sciolte, i loro atomi hanno iniziato a muoversi rapidamente, come previsto. "Con nostra sorpresa, tuttavia, ci siamo resi conto che singoli atomi rimanevano in alcuni punti come se fossero stati inchiodati". Ciò è dovuto a difetti nella struttura cristallina del materiale portante, dove gli atomi fissati sono fortemente legati al grafene.
I ricercatori hanno anche scoperto che il numero di questi difetti nel materiale portante e quindi il numero di atomi metallici fissi può essere manipolato e aumentato in modo specifico utilizzando il fascio del microscopio elettronico. "Se solo pochi atomi sono fissi, dal liquido si forma un cristallo che cresce gradualmente", spiega il professor Ute Kaiser, responsabile del Centro SALVE dell'Università di Ulm. "Se invece ci sono molti atomi fissi, il processo di solidificazione viene rallentato e la formazione del cristallo viene impedita". Questa fase di solidificazione è particolarmente importante anche per le applicazioni industriali, poiché determina la struttura e le proprietà funzionali di un materiale.
Diventa particolarmente emozionante quando gli atomi fissi formano un recinto circolare intorno alla materia liquida, come è riuscito a fare il team di ricerca. "Una volta che il liquido è intrappolato in questo 'recinto atomico', può rimanere liquido anche se la temperatura scende molto al di sotto del punto in cui il materiale normalmente si solidifica", sottolinea il capo del team di ricerca, il professor Andrei Khlobystov dell'Università di Nottingham. Nel caso del platino, ciò significa che può essere ancora liquido a 350 gradi Celsius - un comportamento del tutto inaspettato, dato che è più di 1000 gradi più freddo del punto in cui il platino normalmente solidifica. La professoressa Elena Besley, esperta di chimica teorica presso l'Università di Nottingham, aggiunge: "Utilizzando il nostro approccio di dinamica molecolare, siamo stati in grado di dimostrare che il liquido recintato è effettivamente stabile".
Il dottor Jesum Alves Fernandes, specialista in catalisi presso l'Università di Nottingham, vede grandi opportunità in questo. Dopo tutto, i catalizzatori di platino su carbonio sono tra i catalizzatori più utilizzati al mondo. "Se riuscissimo a capire come gli atomi fissi si dispongono e si muovono, potremmo potenzialmente sviluppare catalizzatori che si puliscono da soli e rimangono efficaci molto più a lungo", afferma Alves Fernandes.
"Il nostro risultato potrebbe preannunciare una nuova forma di materia che combina le proprietà dei solidi e dei liquidi in un unico materiale", è convinto il team. I ricercatori sperano che, manipolando le posizioni degli atomi stazionari, in futuro si possano formare involucri più lunghi e complessi. Ciò potrebbe consentire di utilizzare i metalli rari in modo più efficiente, ad esempio nella conversione e nello stoccaggio dell'energia.
Lo studio è stato finanziato dal programma EPSRC "Metal Atoms on Surfaces and Interfaces (MASI) for Sustainable Future" (Atomi metallici su superfici e interfacce per un futuro sostenibile), che si occupa delle sfide dell'uso sostenibile degli elementi rari in futuro.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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