Ученые впервые сняли на фото «промежуточную» фазу плавления двумерного материала

Австрийские физики достигли значительного прогресса в исследовании фазовых переходов, впервые осуществив прямую визуализацию процесса плавления ультратонкого материала на атомном уровне. Экспериментальные данные, полученные с использованием сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM), позволили выявить новую фазу, чье поведение выходит за рамки существующих теоретических моделей плавления двумерных кристаллов.

В отличие от трехмерных материалов, таких как лед или металл, где плавление обусловлено резким разрушением кристаллической решетки при достижении определенной температуры, в однослойных двумерных системах наблюдается уникальная динамика. Ограничение движения атомов одной плоскостью придает этим материалам специфические термодинамические свойства, что делает их объектом интенсивного изучения.

Одной из ключевых фаз, обнаруженных в ходе эксперимента, является гексатическая фаза, представляющая собой промежуточное состояние между твердым и жидким состояниями. В этой фазе атомные расстояния хаотичны, как в жидкости, но при этом углы между атомами сохраняют определенный порядок, характерный для твердого тела. Хотя существование гексатической фазы теоретически предсказывалось еще в 1970-х годах, ее экспериментальное подтверждение оставалось нерешенной задачей.

Исследователи из Венского университета разработали инновационную методику, позволяющую визуализировать процесс плавления на атомном уровне. Монослой иодида серебра (AgI) размещался между двумя слоями графена, который обеспечивал защиту образца и позволял осуществлять контролируемый нагрев без его разрушения. Нагрев до температуры 1100 °C осуществлялся с использованием STEM с атомным разрешением, и весь процесс записывался на видео.

Результаты эксперимента показали, что материал переходит в гексатическую фазу примерно за 25 °C до достижения температуры плавления, что согласуется с теоретическими предсказаниями. Однако дальнейший переход из гексатической фазы в жидкое состояние произошел внезапно, а не плавно, как предполагалось ранее. На заключительном этапе этот процесс напоминал традиционное трехмерное плавление, например, переход льда в воду.

Ведущий автор исследования, Киммо Мустонен, отметил: «Без применения методов искусственного интеллекта было бы невозможно отслеживать движение отдельных атомов с необходимой точностью». Соавтор исследования, Давид Лампрехт, добавил: «Эти результаты подтверждают, что процессы плавления в двумерных ковалентных кристаллах значительно сложнее, чем предполагалось ранее, и требуют пересмотра существующих теоретических моделей».

Обнаруженные данные имеют важное значение для материаловедения. Они демонстрируют, что двумерные материалы могут проявлять механизмы плавления, выходящие за рамки стандартных моделей. Это открывает новые перспективы для разработки материалов с уникальными свойствами и требует пересмотра существующих представлений о фазовых переходах. Разработанная методика прямой визуализации и анализа предоставляет мощный инструмент для дальнейших исследований в этой области.