ИИ впервые помог физикам увидеть плавление атомов в реальном времени
Исследователи из Венского университета получили беспрецедентные данные о том, как атомы ведут себя при плавлении сверхтонких материалов. Их работа, опубликованная в Science, опровергает устоявшиеся представления о фазовых переходах и открывает новые возможности для понимания свойств двумерных кристаллов, важных для гибкой электроники и нанотехнологий.
От твердого к жидкому: необычные правила для тонких материалов
В привычных материалах, таких как лед, металл или пластик, плавление происходит резко: при достижении точки плавления кристаллическая решетка разрушается, и вещество мгновенно становится жидким. Но когда материал становится почти двумерным, физика меняется. Атомы могут перемещаться только в плоскости, что ограничивает их перестройку в трехмерной структуре.
В таких условиях появляется так называемая гексатическая фаза. В ней расстояния между атомами становятся хаотичными, как в жидкости, но углы между соседними атомами остаются упорядоченными, напоминая твердое тело.
«Гексатическое состояние — это своего рода шаткий кристалл, ни полностью жидкий, ни полностью твнрдый», — объясняют авторы исследования.
Хотя теория о такой фазе появилась еще в 1970-х, прямых наблюдений в реальных материалах до сих пор не было.
Наблюдение на атомном уровне
Ученые использовали слой йодида серебра толщиной в один атом, зажатый между двумя листами графена. Графен защищал крошечный кристалл и позволял безопасно нагревать его до 1100 °C. Сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (СТЭМ) записывал процесс в виде видео, а нейронные сети ИИ отслеживали положение каждого атома на тысячах кадров, что было бы невозможно вручную.
Неожиданные результаты и новый взгляд на плавление
Атомы достигли гексатической фазы примерно за 25 °C до обычной точки плавления, что соответствовало теории. Однако переход из гексатического состояния в жидкое оказался резким, а не постепенным, как считалось.
«Без инструментов ИИ было бы невозможно проследить движение всех атомов», — отметил Киммо Мустонен, старший автор работы.
Это открытие ломает устоявшиеся модели двумерного плавления. Ранее считалось, что этот процесс всегда постепенный, но теперь видно, что на втором этапе он ведет себя как трехмерное плавление — резко и внезапно.
«Плавление в ковалентных двумерных кристаллах гораздо сложнее, чем мы думали», — добавил Дэвид Лампрехт из Венского университета и Венского технического университета.
Значение для науки и технологий
Прямое наблюдение за атомами в реальном времени открывает новые горизонты для материаловедения. Оно помогает понять поведение кристаллов при высоких температурах и может ускорить разработку гибкой электроники, наноматериалов и устройств с уникальными свойствами. Кроме того, сочетание микроскопии и ИИ стало стандартом для анализа сложных процессов на атомном уровне.
Результаты показывают, что двумерные материалы не подчиняются привычным законам плавления. Это заставляет пересмотреть теории о фазовых переходах и стимулирует дальнейшие эксперименты, чтобы понять, как атомы ведут себя в экстремальных условиях. По мере развития ИИ и микроскопии ученые смогут изучать еще более сложные системы и создавать материалы с заданными свойствами.
