Когда лед превращается в воду, изменение происходит почти мгновенно. Как только температура достигает точки плавления, жесткая структура льда разрушается, переходя в жидкое состояние. Такой быстрый переход от твердого тела к жидкости типичен для большинства привычных нам трехмерных материалов.
Однако чрезвычайно тонкие, двумерные материалы ведут себя совершенно иначе. Вместо того чтобы плавиться одномоментно, они могут проходить через необычное промежуточное состояние, находящееся между твердым и жидким. Это редкое явление, известное как гексатическая фаза, ученые из Венского университета впервые смогли напрямую наблюдать в атомарно тонком кристалле. Результаты исследования, опубликованные в журнале «Science», значительно расширяют научное понимание фазовых переходов в двух измерениях и бросают вызов устоявшимся теоретическим представлениям.
В повседневных материалах плавление происходит резко. Упорядоченная твердая структура быстро превращается в хаотичную жидкую. Но когда материал уменьшается до толщины в один атом, между твердым и жидким состояниями может возникнуть особая промежуточная фаза. Впервые предложенная в 1970-х годах, гексатическая фаза оставалась теоретической концепцией, которую было крайне сложно подтвердить в реальных материалах. В этом гибридном состоянии вещество проявляет смешанные свойства: расстояние между частицами становится неравномерным, как в жидкости, но углы между ними остаются частично упорядоченными, что характерно для твердых тел.
Для наблюдения за хрупким процессом исследователи создали уникальную экспериментальную установку. Один слой иодида серебра (AgI) был помещен между двумя листами графена, образуя защитный «сэндвич». Эта конструкция предотвратила разрушение кристалла, позволив ему плавиться естественным образом. Затем с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа, оснащенного нагревательным держателем, команда постепенно повышала температуру образца выше 1100 °C, записывая процесс плавления в реальном времени с атомарным разрешением.
Отслеживание движения отдельных атомов во время плавления генерирует огромный объем данных. По словам Киммо Мустонена из Венского университета, старшего автора исследования, эта задача была бы невыполнима без искусственного интеллекта. «Без использования инструментов ИИ, таких как нейросети, было бы невозможно отследить все эти отдельные атомы», – объясняет он. Исследователи обучили нейронную сеть на больших наборах смоделированных данных, после чего система проанализировала тысячи микроскопических изображений, полученных в ходе эксперимента.
Анализ выявил поразительный результат. В небольшом температурном диапазоне – примерно 25 °C ниже точки плавления иодида серебра – кристалл перешел в четко выраженную гексатическую фазу. Дополнительные измерения подтвердили это поведение, предоставив убедительные доказательства существования промежуточного состояния в атомарно тонких материалах с прочными связями.
Исследование также принесло неожиданный результат, который расходится с существующей теорией. Модели предсказывали, что оба перехода – от твердого тела к гексатической фазе и от гексатической фазы к жидкости – должны происходить постепенно. Однако ученые обнаружили, что только первый переход следовал этому сценарию. В то время как переход от твердого состояния к гексатическому происходил плавно, превращение из гексатической фазы в жидкость было внезапным, подобно таянию льда. «Это говорит о том, что плавление в ковалентных двумерных кристаллах гораздо сложнее, чем считалось ранее», – отмечает Дэвид Лампрехт, один из ведущих авторов исследования.
Открытие не только бросает вызов десятилетиям теоретических предположений, но и открывает новые направления для изучения материи на самых малых масштабах. Яни Котакоски, руководитель исследовательской группы Венского университета, подчеркивает важность работы. Кроме того, исследование демонстрирует, как передовая микроскопия и искусственный интеллект могут работать вместе, открывая новые горизонты в материаловедении.
