Группе ученых из из Брауновского университета и Инженерного колледжа Мичиганского университета (США) удалось стабилизировать быстротечную структурную фазу вещества, которая была предсказана теоретически, но никогда ранее не была реализована в физическом материале. Эксперимент проводился с использованием тщательно подобранных наноразмерных строительных блоков. Результаты были представлены в журнале Science.
Новая суперрешетка из наночастиц фиксирует неуловимое промежуточное состояние между двумя наиболее распространенными в природе кристаллическими металлическими структурами. Новая структура не только раскрывает новые подробности механизма этого перехода, но и демонстрирует необычные оптические свойства, которые могут быть полезны в квантовых вычислениях и других квантовых информационных системах.
В более широком смысле эта работа представляет собой новый подход к использованию наночастиц заданной формы для создания совершенно новых классов материалов с заданными свойствами.
При нагревании некоторые металлы переходят из одной кристаллической структуры в другую. Например, при нагревании до 912 градусов по Цельсию железо переходит из гранецентрированной кубической структуры в гексагональную плотноупакованную. Было предложено несколько теорий, объясняющих этот переход. Согласно одной из них, теории Нисиямы-Вассермана, между гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной структурами существует ряд переходных фаз, которые являются более эфемерными из-за более низкой симметрии. Именно эти мимолетные «промежуточные» фазы удалось воссоздать с помощью наночастиц серебра.
Ученые, изучающие материалы, давно задавались вопросом, как контролировать количество гранецентрированной кубической и объемно-центрированной кубической решеток в металлах, но переходы между этими фазами было сложно изучать, потому что они очень нестабильны. Возможность наблюдать эти структуры — фундаментальный прорыв в материаловедении, который дает нам больше возможностей для разработки наноматериалов.
Исследователи синтезировали наночастицы серебра в форме усеченных октаэдров — ромбовидных многогранников, у которых каждая вершина срезана, образуя твердое тело с 14 гранями.
Эта форма интересна тем, что представляет собой нечто среднее между кубом и сферой, которые по-разному ведут себя при упаковке. Изменяя температуру, необходимую для синтеза частиц, команда ученых создала целый ряд таких частиц разной формы — от более округлых до более кубических, — покрыв их длинными липкими молекулами, которые помогают связывать частицы между собой. Затем они позволили частицам каждой формы самоорганизоваться в суперрешетки наночастиц, чтобы проверить их поведение.
При освещении эти суперрешетки из наночастиц серебра демонстрируют признаки глубокой и сильной связи между светом и веществом, когда электроны в частицах серебра колеблются в унисон со световыми волнами и образуют квантово-механическую запутанность.
Такие типы квантово-оптических взаимодействий часто наблюдаются при очень низких температурах, но эта новая структура демонстрирует такое поведение при комнатной температуре. По словам исследователей, это может стать основой для создания новых материалов для квантовых вычислений и сенсоров.
Ранее мы рассказывали, что исследователи NASA создали новый материал, который выдерживает 1600°C и дешевле платины.
