Учёные впервые засняли переходную фазу плавления двумерного материала

Учёные из Австрии впервые осуществили прямое наблюдение за процессом плавления ультратонкого материала на атомном уровне и обнаружили фазу, чьё поведение расходится с существующими представлениями о плавлении двумерных кристаллов.

В привычных трёхмерных материалах, будь то лёд или металл, плавление происходит стремительно: при достижении критической температуры кристаллическая решётка практически мгновенно разрушается. Однако в случае плёнок толщиной в один атом движение элементов ограничено одной плоскостью, что формирует иные термодинамические закономерности.

Одной из таких «нетривиальных» промежуточных стадий является гексатическая фаза: расстояния между атомами становятся хаотичными, как в жидкости, а углы между ними сохраняют частичный порядок, как в твёрдом веществе. Её существование предсказывали с 1970-х годов, но прямые наблюдения в реальных материалах до сих пор не проводились.

Исследователи Венского университета создали условия для визуализации этого процесса, поместив однослойный иодид серебра (AgI) между двумя листами графена. Графен служил защитным барьером и одновременно позволял нагревать образец до высоких температур без его разрушения. Затем внутри сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM) образец разогрели до 1100 ^°C и записывали видео с атомным разрешением.

Анализ данных показал, что примерно за 25 ^°C до точки плавления материал действительно переходит в гексатическую фазу, что соответствует теоретическим моделям. Однако последующий переход в жидкое состояние произошёл не плавно, а скачкообразно, напоминая классическое трёхмерное плавление, например, превращение льда в воду.

«Без инструментов на основе искусственного интеллекта было бы невозможно отследить движение каждого отдельного атома», — отмечает ведущий автор работы Киммо Мустонен. Его коллега Давид Лампрахт добавляет: «Наши результаты демонстрируют, что плавление в двумерных ковалентных кристаллах гораздо сложнее, чем считалось ранее».

Итоги исследования имеют важное значение для материаловедения: они показывают, что плавление в двумерных структурах может протекать по механизму, выходящему за рамки традиционных теорий, и подчёркивают необходимость переосмысления фазовых переходов. Кроме того, предложенный метод прямой визуализации и анализа открывает новые возможности для создания материалов с заранее заданными свойствами.

Источник: iXBT