Особенности таяния тонких пленок
Ученые опубликовали в Physical Review Letters работу, детально описывающую процесс таяния тонких кристаллических пленок. Оказывается, пленки, содержащие менее четырех молекулярных слоев, не проходят через состояние смеси фрагментов твердого тела и жидкости; при нагревании они приобретают хаотическую структуру мгновенно. А для одноатомных пленок существует собственное «промежуточное» состояние.
Многие свойства и процессы, происходящие в веществе, видоизменяются, если мы переходим от привычных трех размерностей к двум и даже одной (к тонким атомным пленкам, квантовым нитям и точкам). Это относится и к процессам фазового перехода между жидкостью и твердым телом. Известно, что, если нагреть кристаллическую пленку, толщина которой всего несколько атомов, то процесс таяния будет протекать совсем не так, как в объемном кристалле. Однако, детально об этом процессе до сих пор не могла рассказать ни одна научная группа в мире.
Существуют достаточно «складные» теории относительно фазового перехода «твердое тело – жидкость» в обычных трехмерных кристаллах и в атомарных пленках толщиной всего в один атом. Но что происходит, если атомарных слоев несколько? Это «пограничное» состояние между двумя и тремя измерениями на сегодняшний день еще не достаточно изучено. Связано это в первую очередь со сложностями, с которыми сталкиваются ученые при постановке экспериментов. На практике чрезвычайно сложно отслеживать перемещение отдельных молекул, в подобных экспериментах исследователи часто прибегают к наблюдению более крупных объектов – микроскопических сфер, дрейфующих в жидкости. Однако, процессы таяния при такой схеме изучать достаточно сложно, ведь даже при повышении температуры подобные сферы не имеют достаточно свободы для значительных перемещений (т.е. не могут полностью повторить картину микромасштаба).
Еще в 2008 году ученые из Hong Kong University of Science and Technology показали, что проблема отсутствия должной свободы у полимерных сфер решается правильным подбором материала. Они обнаружили, что сферы из полимера N-изопропилакриламида (N-isopropylacrylamide, NIPA) при нагревании с 24 до 28 градусов по шкале Цельсия уменьшают свой объем на 27%, что дает сферам свободу перемещений, аналогичную процессам таяния реальных кристаллов. Впоследствии с помощью сфер из этого материала команда наблюдала таяние единственного слоя молекул.
В своей последней работе, опубликованной в майском номере журнала Physical Review Letters, данная группа перешла к более сложному случаю, рассмотрев пленку из нескольких слоев «атомов». Для отслеживания каждой частицы в трехмерном пространстве, они использовали софокусный микроскоп.
В результате исследований было обнаружено, что для более чем четырехслойной пленки (пленки из четырех слоев атомов) «работают» законы плавления трехмерного тела – т.е. существует состояние вещества, при котором одновременно в различных областях тела присутствуют как жидкие, так и твердые фрагменты. Что касается одноатомного случая, то здесь была обнаружена также соответствующая с ранее высказанными теориями картина с существованием промежуточного состояния, характеризующегося гексагональной симметрией. А вот для пленок толщиной от 2 до 4 атомов плавление происходит мгновенно по всему объему.
По словам ученых, полученные данные хорошо согласуются с более ранними наблюдениями, но детальное объяснение происходящих процессов требует продолжения экспериментов.
