Атомарная пипетка раскрыла танец фасеток-призраков
Дабы посмотреть в гости к атомам, учёные строят всё более и более немыслимые автомобили: то микроскопы самых экзотических совокупностей, то многокилометровые ускорители, то замечательнейшие лазеры… А сравнительно не так давно, для серии увлекательных опытов с веществом, американские физики создали самую мелкую и правильную в мире пипетку — она несёт в себе капельку количеством всего в пара зептолитров (другими словами 10-21 литра).
Столь необычное достижение опубликовано пару дней назад центром функциональных наноматериалов Национальной лаборатории Брукхэвен (Center for Functional Nanomaterials).
Прошлые рекордные микропипетки были способны дозировать жидкость порциями по аттолитру (10-18 литра), так что новое устройство поменяло масштаб опытов ещё на три порядка. Но рекорд данный ответствен для учёных не сам по себе.
Благодаря необыкновенной пипетке удалось совершить последовательность неповторимых опытов.
Так выглядит суперпипетка под микроскопом. Кружком обведён её наконечник (фото Brookhaven National Laboratory).
Ведущий создатель работы, Эли Саттер (Eli Sutter), говорит, что испытания её группы «улучшат отечественное познание процессов кристаллизации во многих областях технологий и природы».
Дело в том, что поразительно маленькие капельки жидкого металла кристаллизуются совсем в противном случае, чем их громадные собратья. Как происходит изменение фазы при охлаждении жидкого металла?
Думается, мы в далеком прошлом знаем ответ на данный вопрос. Но не всё так легко.
Скажем, не ясно, что происходит в микроскопической сверхчистой капле? В том месте нет «привычных» центров кристаллизации — каких-либо примесей.
И начало смены фазы происходит в противном случае, чем в расплаве большего количества.
В течение последних десятилетий физики думали, что в таких условиях кристаллизация начинается с появления где-то во внутренности капли «случайного» жёсткого ядра, появляющегося как будто бы наугад. От него, дескать, изнутри — наружу, и распространяется кристаллизация.
Устройство зептолитровой пипетки: 1 — германиевый нанопровод, 2 — резервуар с исследуемой жидкостью, 3 — углеродная оболочка. Отверстие в ней будет выполнено позднее (фото Brookhaven National Laboratory).
Испытания Эли Саттер и её сотрудников кинули вызов данной 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 финише. Поместив в него толику исследуемого материала, авторы опыта покрывали всё узким слоем атомов углерода (вернее, несколькими слоями графена).
А после этого, по окончании нагрева совокупности, проделывали в углеродной скорлупке маленькое отверстие, через которое расплав и выходил наружу.
Такая капля, висящая на кончике пипетки (авторы опыта именуют её подвеску «практически свободной»), помещалась под луч замечательного электронного микроскопа, так, что исследователи имели возможность разглядывать её поведение с разрешением, родным к атомарному.
Экспериментаторы сперва держали германия и расплав золота при температуре 425 градусов Цельсия, а после этого его неспешно охлаждали.
Фрагмент наконечника при громадном повышении – графеновая оболочка.
Справа: «побег» капли расплава через отверстие на финише пипетки (фотографии с сайта nature.com).
И вот при температуре 305 градусов физики заметили поразительное явление: на поверхности капли начали появляться утончённые, практически эфемерные фасеточные структуры. Круглая капля получала бессчётные плоские грани.
Причём эти плоские структуры, в один раз появившись, тут же распадались, дабы тут же показаться снова.
Так, на поверхности наблюдался постоянный «танец» фасеток. Он имел возможность длиться часами — до тех пор пока температура поддерживалась на уровне 305 градусов.
Но когда температура хоть чуть-чуть падала — танец мгновенно останавливался, и капля получала ту форму, в которой её застало «мерцание» фасеточных граней.
Танец фасеток при 305 градусах.
Красным отмечены появляющиеся и исчезающие плоские грани капли расплава (фотографии с сайта nature.com).
«Отечественные опыты продемонстрировали, что подобные жёсткому телу свойства материала сперва развиваются в узкой „коже“ на поверхности, тогда как интерьер капли остаётся жидким», — поясняет Саттер.
Это наблюдение противоречит прошлым представлениям и показывает, как поведение кусочка (капли) вещества может изменяться в зависимости от масштаба этого самого кусочка. О чём авторы опыта и поведали в Nature Materials.
Две разные картины кристаллизации капли, зависящие от её степени «свободы», другими словами от влияния углеродной иллюстрации пипетки (и оболочки фотографии с сайта nature.com).
А путь, каким происходит кристаллизация в малых крупицах вещества, может оказывать влияние на многие факторы уже в макромасштабе. К примеру, от этого может зависеть баланс между жёсткой и жидкой фазой воды в верхних слоях воздуха, соответственно — и её, атмосферы, поведение.
Совершенно верно так же лучшее познание процесса фазового перехода в поразительно микроскопических каплях расплавов может понадобиться учёным и инженерам при создании новых микросхем либо наномеханизмов.
