Nel cuore di una goccia di metallo fuso, dove la temperatura raggiunge migliaia di gradi Celsius, alcuni atomi restano immobili come sentinelle silenziose mentre i loro vicini si agitano freneticamente. Questa scoperta sorprendente, che sfida la nostra comprensione intuitiva degli stati della materia, rivela un meccanismo finora sconosciuto che governa la transizione da liquido a solido e apre la strada a una nuova fase ibrida della materia. Un team internazionale guidato dall'Università di Nottingham, in collaborazione con l'Università di Ulm in Germania, ha osservato per la prima volta come questi atomi stazionari possano creare veri e propri "recinti atomici" capaci di intrappolare porzioni di liquido e mantenerle in uno stato superfuso a temperature estremamente inferiori al punto di congelamento naturale.
La ricerca, pubblicata sulla rivista ACS Nano il 9 dicembre, si basa su osservazioni compiute attraverso microscopia elettronica a trasmissione ultravanzata presso il centro SALVE dell'Università di Ulm. Gli scienziati hanno utilizzato il grafene – un materiale bidimensionale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio – come una sorta di "fornello" su scala atomica per depositare e riscaldare nanogocce di metalli preziosi come platino, oro e palladio. Mentre gli atomi di metallo iniziavano a muoversi vorticosamente con l'aumento della temperatura, come previsto dalla teoria cinetica dei liquidi, i ricercatori hanno notato un fenomeno inatteso: alcuni atomi rimanevano fermamente ancorati alla superficie di supporto.
L'analisi approfondita ha rivelato che questi atomi immobili sono legati a difetti puntuali specifici nella struttura del grafene, un'interazione che persiste anche a temperature elevatissime. Il dottor Christopher Leist, che ha condotto gli esperimenti con lo strumento SALVE a basso voltaggio, ha spiegato come sia stato possibile manipolare deliberatamente il numero di questi atomi ancorati: concentrando il fascio elettronico su aree selezionate, il team ha creato ulteriori difetti nella superficie, aumentando così i punti di ancoraggio disponibili. Questa capacità di controllo rappresenta un avanzamento metodologico significativo nella fisica delle superfici e apre possibilità di ingegnerizzazione della materia a livello atomico.
Le implicazioni di questa scoperta vanno ben oltre la fisica fondamentale. La professoressa Ute Kaiser, fondatrice del centro SALVE, ha sottolineato come gli esperimenti abbiano permesso di osservare direttamente la dualità onda-particella degli elettroni: mentre il fascio elettronico si comporta come un'onda per formare l'immagine del materiale, gli elettroni agiscono simultaneamente come particelle discrete, trasferendo impulsi di momento che possono spostare o, sorprendentemente, fissare atomi al bordo di una goccia di metallo liquido. Questo duplice comportamento quantistico ha reso possibile la visualizzazione di fenomeni altrimenti inaccessibili e ha portato all'identificazione di questa nuova fase della materia.
Il ruolo degli atomi stazionari nel processo di solidificazione si è rivelato determinante. Quando solo pochi atomi sono ancorati, un cristallo può nucleare dal liquido e crescere regolarmente fino a solidificare l'intera nanoparticella in una struttura ordinata. Al contrario, quando numerosi atomi restano immobili in posizioni strategiche, essi interferiscono con questo processo e impediscono completamente la formazione cristallina. Il caso più spettacolare si verifica quando gli atomi stazionari formano una struttura ad anello: il liquido superfuso confinato che si crea può mantenersi allo stato liquido fino a 350°C nel caso del platino, una temperatura straordinariamente bassa considerando che questo metallo fonde normalmente a circa 1.768 gradi Celsius.
Se la temperatura viene abbassata ulteriormente, il liquido confinato si solidifica in una forma amorfa – un metallo privo della struttura cristallina ordinata tipica dei solidi metallici. Questo stato amorfo risulta altamente instabile e persiste solo finché gli atomi stazionari continuano a esercitare il loro effetto di confinamento. Quando questo vincolo viene meno, l'energia accumulata si libera bruscamente e il materiale si riorganizza nella sua forma cristallina stabile, in un processo che ricorda il rilascio di tensione in un sistema meccanico sotto compressione.
Il dottor Jesum Alves Fernandes, esperto di catalisi presso l'Università di Nottingham, ha evidenziato le potenziali ricadute applicative di questa scoperta. Il platino su carbone è uno dei catalizzatori più utilizzati a livello globale, impiegato in processi che vanno dalla purificazione dei gas di scarico automobilistici alla produzione di sostanze chimiche industriali. L'esistenza di questo stato ibrido liquido-solido confinato potrebbe alterare profondamente la comprensione dei meccanismi catalitici: le superfici liquide presentano una mobilità atomica che potrebbe facilitare la rigenerazione spontanea dei siti attivi, portando allo sviluppo di catalizzatori autopulenti con attività e longevità superiori.
Prima di questo studio, il confinamento su scala nanometrica era stato dimostrato solo per fotoni ed elettroni – particelle elementari prive di massa a riposo o con massa estremamente ridotta. L'aver realizzato un "recinto atomico" funzionale per atomi metallici costituisce il primo esempio di questo fenomeno applicato a particelle massive e complesse. Come ha sottolineato il professor Andrei Khlobystov, coordinatore del progetto finanziato dal programma EPSRC "Metal atoms on surfaces and interfaces (MASI) for sustainable future", questa realizzazione potrebbe annunciare una nuova forma di materia che combina caratteristiche di solidi e liquidi nello stesso materiale.
Le prospettive future includono la progettazione di recinti atomici più estesi e geometricamente complessi, ottenuti disponendo strategicamente gli atomi ancorati sulla superficie di supporto. Un controllo così preciso sulla distribuzione e sul comportamento di metalli rari come platino, palladio e rodio potrebbe rivoluzionare il loro utilizzo nelle tecnologie pulite, ottimizzando drasticamente l'efficienza dei dispositivi per la conversione e lo stoccaggio dell'energia. La comprensione dei processi di solidificazione a livello atomico ha inoltre implicazioni che si estendono ben oltre la catalisi, toccando ambiti fondamentali come la mineralizzazione nei sistemi biologici, la formazione di ghiaccio in atmosfera, il ripiegamento di fibrille proteiche e numerosi processi industriali nei settori farmaceutico, metallurgico, aeronautico ed elettronico.