شگفتی علمی: رشد کریستال در دلِ فلزِ مایع برای اولین بار ثبت شد

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، دانشمندان در یک اقدام نادر، رشد بلور‌های پلاتین را درون فلز مایع به صورت زنده مشاهده کردند، فرآیندی که دهه‌ها برای محققان ناشناخته مانده بود.

این پیشرفت، دریچه‌ای خیره‌کننده به چگونگی شکل‌گیری ساختار‌های فلزی ظریف در شرایط سخت ارائه می‌دهد.

مهم‌تر از آن، این امر مسیری را برای طراحی مواد جدیدی باز می‌کند که می‌توانند تولید هیدروژن را پیش برده و از فناوری‌های کوانتومی نوظهور پشتیبانی کنند.

این کار که توسط دانشگاه سیدنی رهبری می‌شد، از کریستال‌های پلاتین رشد یافته درون گالیوم برای ساخت الکترودی استفاده کرد که قادر به تجزیه کارآمد آب برای تولید هیدروژن است.

توانایی ساخت و تنظیم چنین کریستال‌هایی می‌تواند به ایجاد سیستم‌های هیدروژنی پاک‌تر و مقیاس‌پذیرتر کمک کند.

فلزات مایعی مانند گالیوم این پیشرفت را به ویژه جذاب می‌کنند. گالیوم در دمای اتاق جامد به نظر می‌رسد، اما وقتی کمی بالاتر از دمای بدن گرم می‌شود، به یک فلز مایع درخشان تبدیل می‌شود.

این هویت دوگانه غیرمعمول، مدت‌هاست که آن را به هدفی برای مهندسانی تبدیل کرده است که در حال بررسی مواد «هوشمند» نسل بعدی هستند.

کریستال‌ها در حرکت

مشاهده‌ی هر چیزی درون فلز مایع به طور سنتی غیرممکن بوده است. گالیوم چگال است، در سطح اتمی به شدت فشرده شده و آنقدر مات است که حتی میکروسکوپ‌های پیشرفته هم نمی‌توانند آن را ببینند.

پروفسور کوروش کلانترزاده، که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: «مشاهده تشکیل کریستال‌ها درون فلزات مایع مانند گالیوم یک کار چالش‌برانگیز است. این یک لحظه واقعاً ویژه بود که توانستیم روشی برای انجام این کار توسعه دهیم.»

این تیم به توموگرافی کامپیوتری با اشعه ایکس، یک فناوری تصویربرداری پزشکی که معمولاً برای نقشه‌برداری از بافت‌های بدن استفاده می‌شود، روی آوردند. با تطبیق این تجهیزات، محققان توانستند درون یک قطره فلز مذاب را مشاهده کرده و رشد داخلی کریستال‌های پلاتین را به صورت سه‌بعدی آشکار کنند.

تصاویر، میله‌های یخ‌مانند و ساختار‌های شاخه‌داری را نشان می‌دادند که با سرد شدن آلیاژ، درون گالیوم شکوفا می‌شدند - ساختار‌هایی که طی چند دقیقه و چند ساعت تکامل یافته بودند.

نگاه از میان فلز

کلانترزاده گفت: «برای اینکه ببینیم چگونه می‌توان از فلزات مایع برای شکل‌دهی به آینده مواد هوشمند استفاده کرد و آنهایی را که نقش مهمی در منابع انرژی ایفا می‌کنند شناسایی کرد، باید خواص فلزی و شیمیایی آنها را از درون و بیرون درک کنیم.»

فلزات مایع از دیرباز مورد توجه مهندسان بوده‌اند، زیرا رسانایی فلزی را با سیالیت ترکیب می‌کنند. آنها همچنین به عنوان حلال‌های قدرتمند عمل می‌کنند.

او گفت: «فلزات مایع همچنین حلال‌های بسیار خوبی هستند و توانایی بالایی در حل کردن سایر عناصر فلزی مانند شکر در آب دارند.»

در این مطالعه، محققان مهره‌های پلاتین را در فلز مایع گالیوم یا گالیوم-ایندیوم در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد حل کردند، سپس مخلوط را سرد کردند تا تشکیل کریستال آغاز شود.

این تیم از قطره آلیاژ در مقاطع عرضی تصویربرداری کرد و داده‌ها را به یک مدل سه‌بعدی کامل از نحوه ظهور بلور‌ها پیوند داد.

مونیکا ویجاجانا، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «ما با شگفتی مشاهده کردیم که چگونه ذرات فلزی با جهت‌گیری‌های کریستالی مختلف با تغییر دما و شرایط محیطی در فلزات مایع رشد می‌کنند.»

او افزود که توموگرافی کامپیوتری با اشعه ایکس «می‌تواند بر چالش مشاهده رشد کریستال در فلز مایع - ماده‌ای مات که معمولاً نفوذ نور و الکترون به آن غیرممکن است - غلبه کند.»

وضوح تصویربرداری فعلی، جزئیاتی را که دانشمندان می‌توانند ببینند محدود می‌کند، اما پیشرفت‌های سریع در سیستم‌های سی‌تی‌اسکن اشعه ایکس می‌تواند به زودی ساختار‌های ظریف‌تر و رفتار شیمیایی پویاتری را در طول تشکیل کریستال آشکار کند.

این مطالعه در Nature Communications منتشر شده است.