فاز هگزاتیک: اولین بار مشاهدهٔ مواد دو‑بعدی فوقالعاده نازک در حالت بین جامد و مایع
از دانشگاه وین
زمانی که یخ به آب ذوب میشود، این فرآیند به سرعت رخ میدهد و تبدیل از جامد به مایع بلافاصله اتفاق میافتد. اما مواد بسیار نازک این قوانین را رعایت نمیکنند. در عوض، وضعیت غیرعادیای بین جامد و مایع پدید میآید: فاز هگزاتیک. پژوهشگران دانشگاه وین هماکنون موفق به مشاهدهٔ مستقیم این فاز منحصر بهفرد در یک کریستال اتمی‑نازک شدهاند.
با بهکارگیری میکروسکوپ الکترونی پیشرفته و شبکههای عصبی، یک کریستال یودید نقره محافظتشده توسط گرافین را هنگام ذوباش فیلمبرداری کردند. مواد دو‑بعدی فوقالعاده نازک این امکان را برای پژوهشگران فراهم کرد تا فرآیندهای ذوب در مقیاس اتمی را بهصورت مستقیم مشاهده کنند. نتایج جدید فهم ما از این انتقالات فازی را بهطور چشمگیری پیشرفت میدهند. شگفتانگیز این است که این مشاهدات با پیشبینیهای قبلی در تضاد هستند — نتیجهای که اکنون در Science منتشر شده است.
انتقال ناگهانی در ذوب یخ نمونهٔ رایج رفتار ذوب تمام مواد سه‑بعدی، از فلزات و سنگها تا نوشیدنیهای منجمد است. اما هنگامی که مادهای بهقدر نازک شود که عملاً دو‑بعدی باشد، قوانین ذوب بهطور چشمگیری تغییر میکند. بین فازهای جامد و مایع میتواند فاز میانی جدید و عجیبوغریبی به نام «فاز هگزاتیک» به وجود آید.
این فاز هگزاتیک که اولین بار در دههٔ ۱۹۷۰ پیشبینی شد، یک حالت ترکیبی عجیب است. ماده شبیه مایع رفتار میکند بهطوری که فاصلههای بین ذرات نامنظم هستند، اما در همان زمان تا حدی شبیه جامد است، چرا که زاویههای بین ذرات نسبتاً منظم باقی میمانند.
از آنجا که این فاز تنها در سامانههای مدل بزرگتر مانند توپهای پلیاستایرن فشرده مشاهده شده بود، روشن نبود که آیا میتواند در مواد روزمرهٔ کووالانسی نیز رخ دهد یا نه. تیم پژوهشی بینالمللی به رهبری دانشگاه وین هماکنون موفق به اثبات دقیق این مسئله شده است.
دانشندگانی که این فرآیند را برای اولین بار در کریستالهای اتمی‑نازک یودید نقره (AgI) مشاهده کردند، معمایی را که دههها ادامه داشت حل کردند. یافتههایشان نه تنها وجود این وضعیت کمرنگ را در مواد با پیوندهای قوی تأیید میکند، بلکه نکات جدید و شگفتانگیزی دربارهٔ ماهیت ذوب در دو بعد فراهم میآورد.
ذوب اتمها در یک «ساندویچ» محافظ گرافین
برای دستیابی به این پیشرفت، پژوهشگران روشی جذاب برای مطالعهٔ فرآیند ذوب در کریستالهای نازک و شکنندهٔ اتمی توسعه دادند. آنها یک لایهٔ تکلایهٔ یودید نقره را بین دو ورقهٔ گرافین محصور کردند و «ساندویچ» حفاظتی ایجاد کردند که از تا شدن خود کریستال حساس جلوگیری میکرد، در حالی که امکان ذوب آزاد آن را فراهم میساخت. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری اسکن (STEM) پیشرفته مجهز به هولدر حرارتی، تیم بهتدریج نمونه را تا بیش از ۱٬۱۰۰ °C گرم کرد و فرآیند ذوب را بهصورت زمان واقعی در مقیاس اتمی ضبط کرد.
«بدون استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی مانند شبکههای عصبی، امکان پیگیری تمام این اتمهای فردی وجود نداشت»، کیممو موستونن از دانشگاه وین، نویسنده ارشد این پژوهش، توضیح میدهد. تیم شبکه را با مقادیر عظیمی از دادههای شبیهسازیشده آموزش داد تا پس از آن بتواند هزاران تصویر با وضوح بالا که توسط آزمایش تولید شده بود را پردازش کند.
تحلیلهای آنها نتیجهٔ چشمگیری بهدست داد: در بازهٔ دمایی بسیار باریک — حدود ۲۵ °C پایینتر از نقطهٔ ذوب AgI — فاز هگزاتیک متمایزی ظاهر شد. اندازهگیریهای تکمیلی پراش الکترونی این یافته را تأیید کرد و شواهدی قوی برای وجود این حالت میانی در مواد اتمی‑نازک با پیوندهای قوی فراهم آورد.
فصل جدیدی در فیزیک ذوب
این مطالعه همچنین چرخشی غیرمنتظره را نشان داد. بر اساس نظریههای پیشین، انتقالها از جامد به هگزاتیک و از هگزاتیک به مایع باید بهصورت پیوسته باشند. ولی پژوهشگران مشاهده کردند که در حالی که انتقال از جامد به هگزاتیک بطور واقعی پیوسته بود، انتقال از هگزاتیک به مایع بهطور ناگهانی رخ داد، مشابه ذوب یخ به آب.
«این نشان میدهد که ذوب در کریستالهای دو‑بعدی با پیوند کووالانسی، بسیار پیچیدهتر از آنچه پیشتر تصور میشد است»، دیوید لامپرتچ از دانشگاه وین و دانشگاه فنی وین (TU Wien) میگوید؛ او یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه است که همراه با Thuy An Bui، همچنین از دانشگاه وین، همکاری کردهاند.
این کشف نه تنها پیشبینیهای نظریهای دیرینه را بهچالش میکشد، بلکه افقهای جدیدی را در مطالعهٔ مواد در سطح اتمی باز میکند. «کیممو و همکارانش بار دیگر نشان دادند میکروسکوپی با وضوح اتمی چقدر قدرتمند است»، جانی کوتاكوسكي، سرپرست گروه تحقیقاتی در دانشگاه وین میگوید.
نتایج این مطالعه نه تنها درک ما از ذوب در دوبعد را تعمیق میبخشد، بلکه پتانسیل میکروسکوپی پیشرفته و هوش مصنوعی را در کشف مرزهای علم مواد برجسته میکند.