Австрийские физики впервые смогли напрямую наблюдать плавление ультратонкого материала на атомном уровне — и обнаружили фазу, поведение которой противоречит действующим представлениям о том, как должны плавиться двумерные кристаллы.

В обычных трёхмерных материалах — таких как лёд или металл — плавление происходит резко: как только достигается температура плавления, кристаллическая решётка почти мгновенно разрушается. Но если материал представляет собой один-единственный атомный слой, ситуация меняется. В двумерных кристаллах атомы могут двигаться только в одной плоскости, и это создаёт иную термодинамику.

Одним из таких «нетривиальных» состояний считается гексатическая фаза — промежуточный этап между твёрдым и жидким состоянием. В ней расстояния между атомами становятся беспорядочными (как в жидкости), но углы между ними остаются частично упорядоченными (как в твёрдом теле). Её существование предсказывали с 1970-х годов, но в реальных материалах она никогда не наблюдалась напрямую.

Чип Protochips Fusion, используемый в электрическом модуле Nion, который позволил проводить контролируемые высокотемпературные исследования. Источник: Jani Kotokoski / University of Vienna

Учёные из Венского университета создали условия, позволяющие увидеть этот процесс. Они поместили монослой иодида серебра (AgI) между двумя листами графена — тот защищал AgI и позволял нагревать его без разрушения. Затем образец довели до 1100 °C внутри сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM), снимая видео с атомным разрешением.

Данные показали, что примерно за 25 °C до температуры плавления материал действительно переходит в гексатическую фазу — это укладывается в теорию. Но следующий шаг оказался неожиданным: переход из гексатической фазы в жидкость происходил резко, а не плавно, как предсказывают модели двумерного плавления. На финальном этапе поведение больше напоминало обычное трёхмерное плавление, например превращение льда в воду.

«Без инструментов на базе искусственного интеллекта было бы невозможно отследить движение всех отдельных атомов», — говорит Киммо Мустонен, ведущий автор работы. Соавтор Давид Лампрехт добавляет: «Это показывает, что плавление в двумерных ковалентных кристаллах гораздо сложнее, чем считалось ранее».

Эти результаты важны для материаловедения: они демонстрируют, что двумерные материалы могут плавиться по механизму, выходящему за рамки стандартных теорий, и что переходы между фазами требуют пересмотра. Кроме того, метод прямой визуализации и анализа открывает новый уровень точности для исследований фазовых переходов и разработки материалов с заранее заданными свойствами.

Подробнее на iXBT