研究人員最近發現了一項驚人的新發現：並非所有液體中的原子都在忙碌地運動。一些原子實際上保持靜止，能夠將整個液體引入一種奇特的超冷狀態。根據來自諾丁漢大學和德國烏爾姆大學的研究團隊，這種不尋常的物質狀態預計將在製藥、航空、建築和電子等領域發揮作用。
物質的運動之謎傳統上，物質被理解為存在於三種狀態：氣體、液體和固體。固體的有序排列和氣體的無序自由相對較為明確，而液體一直是這三者中最神秘的一種。在液體中，原子不斷變化並快速互動，彷彿是一群熙熙攘攘的人群。特別是，液體開始固化的瞬間決定了最終固體的結構和功能特性。固體的形成在礦化、冰的形成以及蛋白質纖維的摺疊等過程中至關重要。為了深入了解這一關鍵過程，克里斯托弗·萊斯特博士利用烏爾姆大學獨特的低電壓SALVE透射電子顯微鏡進行研究。
萊斯特表示：「我們首先將金屬納米顆粒（如鉑、金和鈀）熔化，這些顆粒被沉積在一種原子薄的支撐物——石墨烯上。我們利用石墨烯作為此過程的加熱支架，當顆粒熔化時，原子如預期般開始迅速運動。然而，令我們驚訝的是，一些原子卻保持靜止。」即使在非常高的溫度下，這些靜止的原子仍然牢牢固定在石墨烯支撐物的點缺陷上。研究人員利用電子束增加缺陷數量，從而前所未有地控制液態金屬中靜止原子的濃度。
這種卓越的控制能力使團隊發現了這些固定原子如何影響固化過程。當靜止原子的數量保持在較小的範圍內時，正常的晶體形成。然而，當靜止原子的數量增多，特別是形成環狀結構時，固化過程會被徹底擾亂。液體被困住，或被稱為「圍住」，甚至可以在超冷區域中保持液態。當靜止原子形成一個環圈圍繞液體時，效果尤其明顯。一旦液體被困在這個原子圍欄中，即使在低於其冰點的溫度下，仍然可以保持液態，對於鉑來說，這個冰點可以低至350攝氏度，這比通常預期的低1,000多度。
當被圍住的液體最終固化時，它會形成一種非晶固體——一種不穩定的玻璃狀形式。只有當原子限制被破壞，金屬才會釋放出來，轉變為正常、穩定的晶體結構。這一混合金屬狀態的發現是一個重要的突破。此前，圍住的概念——限制物體的存在——僅僅在光子和電子中得到證明，這是首次在原子層面上實現。這可能導致設計具有改進活性和耐久性的自清潔催化劑，最終可能促成稀有金屬在清潔技術中的更有效利用，例如能源轉換和儲存。
這項研究發表在《ACS Nano》期刊上。
