Fantasztikus filmbe illik, ahogy az aranyat megolvasztották

Az anyagfizikában bármi megtörténhet. Még az is, hogy szilárd aranyból szobahőmérsékleten folyékony halmazállapotút csinálnak. Ehhez pedig nem kell más, csak egy különleges mikroszkóp. Az egyedülálló eredményről a svédországi Chalmers Műszaki Egyetem munkatársait kérdeztük.

Az egyetem fizikai tanszékének szakértője, Ludvig de Knoop egy aprócska aranydarabot helyezett elektronmikroszkóp alá. Azt vizsgálta, hogy legnagyobb nagyítás alatt, az elektromos mezőt lépésről lépésre erősítve miként fognak viselkedni az arany atomjai.

A kísérlet alatt nem vettem észre először, hogy a nemesfém felszíne megolvadt volna, hiszen a mikroszkóp kalibrálása teljes koncentrációt igényel. Amikor azonban megtekintettem a folyamatot rögzítő videót, minden kétséget kizáróan láttam az arany felületén az olvadt réteget, ami lenyűgözött"

– nyilatkozta az Origónak a fizikus, aki szerint az, hogy a nemesfémet képesek megolvasztani immár szobahőmérsékleten (18 °C–28 °C közötti tartományban) is, az arany eddig ismeretlen, ám fundamentális tulajdonságaiba enged betekintést a szakembereknek.

Ludvig de Knoop Forrás: Johan Bodell/Chalmers University of Technology

Mi történt valójában az arannyal?

„Kutatásunkban egy speciális technikát, in situ transzmissziós elektronmikroszkópot (TEM) alkalmaztunk. A készülékkel úgy tudjuk megfigyelni az aranykúpban bekövetkező módosulásokat, hogy ezzel egy időben extrém erős elektromos mezőnek tesszük ki a mintánkat. Ez a nagy erejű tér volt az, ami elkezdte gerjeszteni az aranyatomokat" – mondta de Knoop.

Az eléggé intenzív elektromos mezőnek köszönhetően kis idő elteltével az arany elvesztette rendezett szerkezetét, az atomok közötti kötések felszakadtak.

A kutatók még ennél is tovább mentek, és csakhamar rájöttek, lehetőség van arra is, hogy a szilárd és az olvadt struktúra között „ugrálhassanak", azaz egymásba alakíthassák őket.

Mi az elektronmikroszkópia?

Különféle mikroszkópiai technikák gyűjtőneve, amelyeknél elektromágneses sugárzás helyett elektronnyalábot – azaz nagy sebességre felgyorsított elektronokat - használnak, ezzel leképezve a legkisebb objektumokat. A módszerrel atomi szinten lehet tanulmányozni a fizikai folyamatokat.

A svéd fizikusok munkája nem csak látványos, egyúttal tudományos áttörést is jelent az aranyatomok viselkedésének tanulmányozása terén. Eredményeiket a Physical Review Materials című, anyagtudományokkal foglalkozó szakfolyóiratban jelentették meg.

Az illusztráció megmutatja, hogyan tették ki egy aranykúp atomjait az erős elektromos mezőnek. A képen látható, színnel jelölt tér (a kúp csúcsánál) gerjeszti az atomokat. A gerjesztés hatására az atomok közti kötések felszakadnak, a felszíni réteg elkezd olvadni Forrás: Alexander Ericson/Mindboom

Az alacsonydimenziójú fázisátmenet megnyilvánulása

„Hála az elméleti számításoknak, van sejtésünk arról, miért képes megolvadni az arany szobahőmérsékleten, a jelenség hátterében a felszíni rétegekben megjelenő hibák kialakulásai állhatnak" – mondta de Knoop. Hozzátette: a felszín megolvadása felfogható úgynevezett alacsonydimenziójú fázisátmenetként is.

Az alacsonydimenziójú fázisátmenet azt jelenti, hogy van néhány rétegnyi atomunk, amik elszeparálódnak az aranykúp nagy részétől, és másmilyen fázisba kerülnek (jelen esetben a felszín olvadt lesz, nem szilárd halmazállapotú)"

– magyarázta a fizikus.

Ebben az esetben a felfedezés szorosan kapcsolódik az anyag topológiai fázisaival kapcsolatos kutatásterülethez, aminek úttörőit (David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane és J. Michael Kosterlitz) 2016-ban Nobel-díjjal jutalmazták.

(A topológia mibenlétéről korábbi cikkünkben olvashat.)

Három tudós kapta a fizikai Nobel-díjat

Az anyagkutatás terén elért elméleti eredményeiért három brit születésű tudós, David J. Thouless, valamint F. Duncan M. Haldane és J. Michael Kosterlitz kapja az idei fizikai Nobel-díjat a Svéd Királyi Tudományos Akadémia keddi stockholmi bejelentése szerint. A Washingtoni, a Princeton és a Brown Egyetem munkatársa az anyag szokatlan állapotainak tanulmányozásával: a topológiai fázisátalakulással és az anyag topológiai fázisaival kapcsolatos felfedezéseiért érdemelte ki az elismerést.

Mi mindenre lehet jó a bámulatos átalakulás?

Mivel mostantól változtatni tudják a felszíni rétegek atomjainak jellemzőit, több újfajta gyakorlati alkalmazás előtt is megnyílik a lehetőség.

Például a technológiát különböző szenzoroknál, tranzisztoroknál, katalizátoroknál lehetne hasznosítani, de az elsajátított tudás vadonatúj koncepciójú érintésnélküli alkatrészek gyártásánál is nagy segítséget jelenthet.

A kutatás következő lépcsőfokaként azt fogjuk nézni, hogy az aranynál észlelt hatások ugyanúgy megjelennek-e más fémeknél is. Mi azt gyanítjuk, igen, erről viszont mindenképpen meg kell győződnünk a gyakorlatban is"

– ismertette a jövőbeli terveket De Knoop.

Mindenesetre, aki aranyat szeretne olvasztatni, de nincs otthon elektronmikroszkópja, annak továbbra is érdemes az aranyművesek szolgáltatásait igénybe vennie.